研究背景

上转换发光（Upconversion Luminescence, UC）作为一种独特的光学现象，能够将低能量的近红外光子转换为高能量的可见光子，因而在生物成像、固态激光器、荧光防伪及高精度温度传感等领域展现出巨大的应用潜力。特别是基于稀土离子掺杂的上转换发光材料，因其优异的发光性能和温度敏感性，成为非接触式温度传感的理想选择。其中Yb³⁺/Er³⁺作为最经典的 UC 体系，因其能级匹配好、吸收截面大而被广泛采用。然而，现有研究在探讨上转换发光过程中的能量传递机制时，往往忽视了能量反向转移（Energy Back Transfer, EBT）机制的重要性。EBT是指激发态Er³⁺向Yb³⁺反向传递能量的过程，这一过程会改变上转换发光的颜色和强度，进而影响测温的准确性。尽管已有研究提及EBT机制，但对其在不同基质材料、不同掺杂浓度及不同激发功率下的具体表现仍缺乏深入分析。因此针对上述问题，本研究深入探讨EBT过程对Yb³⁺/Er³⁺共掺杂上转换发光的影响，为优化光学温度测量提供科学依据。

文章简介

近期，安徽工业大学微电子与数据科学学院丁守军副教授等人，深入研究了Er³⁺掺杂的NaYb(MoO₄)₂多晶与单晶，以及Yb³⁺/Er³⁺共掺NaBi(MoO₄)₂单晶中的EBT机制，并探讨了其对上转换发光及温度传感性能的影响。相关工作以Effect of energy back transfer from Er³⁺ to Yb³⁺ ions on the upconversion luminescence of Er:NaYb(MoO₄)₂ and Yb,Er:NaBi(MoO₄)₂为题发表于Frontiers of Optoelectronics期刊。

实验合成了Er³⁺掺杂Yb³⁺自激活的NaYb(MoO₄)₂荧光粉和晶体，以及Yb³⁺/Er³⁺共掺杂的NaBi(MoO₄)₂晶体，系统研究了在980 nm激光激发下，这些样品的上转换发光特性。研究揭示了EBT过程在不同样品中的表现，特别是在高功率密度下，Yb³⁺/Er³⁺离子间的EBT过程如何影响上转换发光的颜色和强度。通过监测Yb³⁺离子发射强度的变化，直接展示了EBT过程的发生，为理解上转换发光机制提供了新的视角。

图文速览

创新点一：多维度对照实验

首次在同一工作中比较了“粉体-单晶”、“自激活-共掺杂”两类体系对 EBT 的影响，排除了基体差异带来的干扰。

图1 (a) 5 at% Er³⁺: NaYb(MoO₄)₂荧光粉、5 at% Er³⁺: NaYb(MoO₄)₂晶体、10 at% Yb³⁺, 1 at% Er³⁺: NaBi(MoO₄)₂晶体的XRD图案以及PDF#57-0839 (NaYb(MoO₄)₂)和PDF#51-1508 (NaBi(MoO₄)₂)卡片；(b)所有样品的照片；(c)所有样品的紫外-可见-红外漫反射光谱；(d)所有样品的(αhν)²对hν的Tauc图

实验合成了Er³⁺掺杂Yb³⁺自激活的NaYb(MoO₄)₂荧光粉和晶体，以及Yb³⁺/Er³⁺共掺杂的NaBi(MoO₄)₂晶体。通过研究样品的X射线衍射（XRD）图，发现所生长样品的衍射图和标准卡片显示的衍射峰相吻合，说明样品的成功合成。

创新点二：全面解析EBT机制及其影响因素

团队通过对比Er³⁺掺杂Yb³⁺自激活的NaYb(MoO₄)₂荧光粉与晶体，以及Yb³⁺/Er³⁺共掺杂的NaBi(MoO₄)₂晶体的发光特性，首次全面揭示了EBT机制在上转换发光中的作用。实验发现，高功率密度下，NaYb(MoO₄)₂多晶与单晶中的EBT过程显著增强，导致绿色发光被抑制，红色发光增强，样品整体呈现黄色发光。而NaBi(MoO₄)₂单晶则因其独特的晶体结构和优异的热稳定性，有效抑制了EBT过程，保持了稳定的绿色发光。此外，通过调控Yb³⁺离子的掺杂浓度，发现高Yb³⁺浓度促进了EBT过程，从而影响了Er³⁺离子的发光特性。这一发现不仅深化了对EBT机制的理解，也为优化上转换发光材料的掺杂浓度提供了科学依据。

图2 (a) 5 at% Er³⁺: NaYb(MoO₄)₂荧光粉、5 at% Er³⁺: NaYb(MoO₄)₂晶体、10 at% Yb³⁺, 1 at% Er³⁺: NaBi(MoO₄)₂晶体在980 nm激光激发下的归一化发射光谱；(b) 5 at% Er³⁺: NaYb(MoO₄)₂荧光粉，(c) 5 at% Er³⁺: NaYb(MoO₄)₂晶体，(d) 10 at% Yb³⁺, 1 at% Er³⁺: NaBi(MoO₄)₂晶体在980 nm激光激发下的等高线图

图3 (a) 5 at% Er³⁺: NaYb(MoO₄)₂荧光粉，(b) 5 at% Er³⁺: NaYb(MoO₄)₂晶体，(c) 10 at% Yb³⁺, 1 at% Er³⁺: NaBi(MoO₄)₂晶体在不同泵浦功率密度的980 nm激光激发下的发光图像

创新点三：确定最优激发功率密度

通过监测不同功率密度下Yb³⁺离子发射强度的变化，直观展示了EBT过程在高功率密度下的发生，为确定光学温度测量的最优激发功率密度提供了可靠依据。

图4  5 at% Er³⁺: NaYb(MoO₄)₂晶体在980 nm激光激发下不同泵浦功率密度下的等高线图 (a) 低泵浦功率密度 (b) 高泵浦功率密度

图5 Er³⁺和Yb³⁺离子的简化的能级图以及样品中可能涉及的UC机制（在低泵浦功率密度下）

图6 Er³⁺和Yb³⁺离子的简化的能级图以及样品中可能涉及的UC机制（在高泵浦功率密度下）

总结与展望

本研究通过系统实验和理论分析，全面揭示了EBT在Yb³⁺/Er³⁺体系中的触发条件与影响机制，为上转换（UC）材料设计提供关键指导。特别是揭示了EBT过程在不同基质材料、不同掺杂浓度及不同激发功率下的具体表现，为优化上转换发光材料的性能提供了重要依据。同时，研究团队提出的基于EBT机制的最优激发功率确定方法，为上转换发光测温技术的精确应用提供了新的思路。未来，随着对EBT机制研究的不断深入和新材料的不断开发，上转换发光技术有望在更多领域展现出其独特的应用价值和广阔前景。