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上轉換納米發光材料(UCNPs)是一種能在長波長光激發下發出短波長光的發光材料.UCNPs在980 nm紅外光激發下,能發出不同顏色的可見光,可以提高信噪比,所以UCNPs在三維立體顯示、上轉換激光器、紅外探測、生物成像及生物檢測等方面有普遍的應用前景。
上轉換納米材料的發光機理：

上轉換發光過程主要來自于稀土離子內4f-4f軌道電子躍遷。在外層的5s和5p電子屏蔽下，稀土離子的4f電子能夠發出尖銳的線狀發射峰，從而能很好地抗光漂白和光降解。此外，雖然稀土離子內層4f電子躍遷基于量子選擇力學是禁止的，但是局部晶體場誘導混合更高電子構型的f組態后，4f電子間可以發生弛豫。由于4f-4f電子間躍遷禁止，三價稀土離子通常具有長壽命發光(達毫秒級別)，因此其激發態能夠連續吸收幾個光子，并且允許激發態離子間發生相互作用，從而發生稀土離子間的能量轉移過程。摻雜稀土離子的這些特點決定了基本的上轉換發光機制，包括激發態吸收、能量轉移上轉換、光子雪崩、協同能量轉移、能量遷移上轉換。

上轉換納米材料的合成及其光學性能：

稀土摻雜的NaYF4上轉換熒光粉由于優良的化學以及發光性能，包括低聲子能量、窄發射峰，長熒光壽命，較強的光穩定性和低毒性，制備上轉化發光效率比較高、形貌可控、粒徑又相對比較小的納米粒子，以便用于生物檢測應用：　　
1、通過水熱法，成功合成了大小為100-200nm，晶相單一的球形NaYF4：Yb/Er上轉換納米材料。并通過改變氟源的用量來調整產物的晶相，形貌以及尺寸大小。而通過添加EDTA，使之與稀土金屬離子絡合，可以限制晶體的形貌生長的各項異性，使之生成漂亮的球形產物。　　
2、用微乳液(水/乙醇/油酸鈉/油酸/正己烷)的界面控制反應來合成NaYF4：Yb/Er，通過實驗制得該體系的相圖并找出適合的水包油微乳液，來合成目標上轉換納米材料，TEM和XRD測量表明，所制備的納米粒子呈球形，單分散，大小均勻，尺寸約為20nm，并具有良好的結晶立方相。這些粒子在非極性有機溶劑中有良好的分散性，并在980nm的激光照射下發出橙色的上轉換發光。　　
3、通過鑭系摻雜，在NaYF4基質中摻雜一定量的稀土金屬Gd，綜合利用微乳法和水熱法來合成上轉換納米材料，且通過改變反應條件，成功合成了小尺寸的六方相晶型的NaYF4，即合成單分散，高產率，小尺寸，純六方相的上轉換發光材料，并用熱力學(包括有機表面活性劑影響和“滲透-控制生長"機理影響)及動力學兩種方式對小尺寸六方體形貌控制機理。