为提高上转换纳米晶的发光效率, 提出协同增强的策略, 将核壳包裹和非稀土离子掺杂两种方式进行有效的结合, 使上转换纳米晶的发光效率实现“1+1>2”的增强效果。以NaGdF4作为基质材料, Yb3+和Er3+分别作为敏化离子和发光离子, 以Li+离子和NaGdF4作为非稀土掺杂离子和包裹壳层来构建核/壳纳米结构, 研究两种增强方式的协同作用对NaGdF4∶Yb3+/Er3+纳米晶的上转换发光性能的影响。结果表明, Li+离子掺杂与包裹NaGdF4壳层共同作用使得β-NaGdF4∶Yb3+/Er3+纳米晶的上转换发光增强了39倍, 明显优于单一方式的增强效果。通过一系列的优化实验结果发现, Li+离子的最佳掺杂摩尔分数为4%。基于以上实验结果, 给出了非稀土离子掺杂核壳纳米晶协同增强上转换发光效率的机理。

采用水热法制备NaGdF4∶Yb3+, Er3+及Na(Y,Gd)F4∶Yb3+,Er3+, 通过改变温度、时间、pH、柠檬酸三钠浓度比、氟源浓度比及掺杂Y3+浓度来调节颗粒的尺寸及研究其对发光强度的影响。通过XRD、FE-SEM、PL测试对样品进行表征分析。当溶液呈强酸性时, 形成的是纯GdF3相; pH提高后, GdF3转变为β-NaGdF4相。柠檬酸三钠含量的增加会抑制颗粒尺寸的生长从而降低发光强度。氟源含量的增加会使颗粒沿(001)面生长, 发光强度也增大。而随着掺杂Y3+含量的增加, 颗粒尺寸增大, 发光强度呈现先下降后升高的趋势。

采用高温溶剂热法制备了一系列不同Yb3+掺杂浓度的上转换发光纳米粒子β-NaYF4∶Yb,Tm和核壳结构的β-NaYF4∶Yb,Tm@β-NaYF4∶Yb纳米粒子。 采用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、光致发光(PL)谱对材料的物相结构、形貌特征和发光性质进行了表征和研究, 并特别研究了温度对材料发光性能的影响。结果表明: 保持Tm3+浓度不变, 随着Yb3+掺杂浓度的增加,β-NaYF4∶Yb,Tm的发光强度先增大后减小。当Yb3+掺杂摩尔分数为30%时,474 nm和645 nm处的发光强度达到最大值; 当Yb3+掺杂摩尔分数为50%时,450 nm和692 nm处的发光强度达到最大值。在β-NaYF4∶Yb(30%),Tm上包裹一层β-NaYF4∶Yb壳层后, 其发光显著增强, 随壳层Yb3+摩尔分数的增加, 发光强度也是先增大后减小。当壳层Yb3+摩尔分数为10%时, 核壳结构纳米粒子的发光强度达到最大值; 当壳层Yb3+摩尔分数达到40%时, 核壳结构纳米粒子的发光强度已经低于未包裹时。将样品进行热处理后, 荧光增强。样品的发光强度随环境温度的升高, 红光变弱, 蓝光增强。采用原位聚合法将β-NaYF4∶Yb,Tm纳米粒子与PMMA制成复合材料后, 仍能保持较好的透明度和发光强度。

采用水热法制备不同醇水比的NaYF4∶20%Yb3+,2%Er3+晶体，通过XRD、FE-SEM、TEM、PL测试手段对合成样品进行表征和分析。样品的FE-SEM图结果表明，随着醇水比的增大，颗粒尺寸越来越小，最小可达纳米级。通过XRD测试表明，醇水比对样品的晶相亦有影响，当醇水比为30/10 mL时，产物中开始出现α-NaYF4晶相。验证了形成机理的正确性并得到一条相转变反应时间与醇水比关系的模拟曲线图。TEM图显示样品属于多晶，且结晶性能良好。在980 nm近红外光激发下，β-NaYF4∶20%Yb3+,2%Er3+上转换晶体发出绿光和红光。

利用傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、紫外分光光度计(UVPC)和魔角变换核磁共振(MAS-NMR)等方法对锂铝硅磷酸盐玻璃的局部结构和紫外透过性能进行了研究和表征。添加适量Li2O替换P2O5构成新的玻璃网络。通过核磁共振光谱分析表明, 玻璃中的硅和磷分别处于四配位和三配位的配位态, 而铝则有四配位、五配位和六配位三种不同的配位态。随着Li2O含量的增加, 铝的平均配位数逐渐降低, 这表明体系中的铝从网络修饰体变成了网络形成体。通过红外光谱分析表明, 铝氧四面体中的铝和硅形成了Si-O-Al键, 也使P-O-Al键逐渐增多。这些提高了玻璃的联通性, 使玻璃结构更加完整。因此, 玻璃在200nm处的透过率逐渐升高, 这得益于Al-O-T(T=Si, P)键由非桥氧键变成桥氧键。

石英玻璃因为其紫外(UV)透射性能较好，常被用来作为紫外探测器的窗口材料。但是它的热膨胀系数较小，如果和其他材料直接封接，就会产生内应力，从而对材料造成损伤。为此，以SiO2、P2O5、Al2O3、Li2O作为组分，制备紫外透射性能好(波长200 nm处，最高达到56%)、热膨胀系数高，同时具有较好稳定性的透紫外玻璃。利用固体核磁共振(MAS-NMR)、红外光谱(FTIR)对玻璃的局部结构进行表征和研究。结果表明，玻璃中的硅原子处于4配位状态；磷原子开始是3配位态，随着Al2O3含量的增加，磷氧四面体中出现了一个非桥氧键P-O…Li，而铝原子的平均配位数不断减少；Si-O-P键、Si-O-Al键以及P-O-Al键的出现，表明三个组分之间相互交联，形成一个整体；Si-O-P键越少，Si-O-Si键越多，紫外透射率越高。

选用硅酸盐、硼酸盐以及磷酸盐3种常用的玻璃体系, 与β-NaYF4∶Yb3+, Er3+/Tm3+粉体均匀混合压片后在不同的温度(400~700 ℃)下进行热处理。采用X射线衍射技术和荧光光谱技术等测试手段研究不同玻璃形成体以及碱金属离子对β-NaYF4∶Yb3+, Er3+/Tm3+粉体的侵蚀情况以及对发光性能的影响。研究结果表明, 在硼酸盐玻璃体系与β-NaYF4∶Yb3+, Er3+/Tm3+粉体复合热处理过程中, Li+和K+离子会取代β-NaYF4晶体中Na原子的位置。在相同热处理温度下, 不同玻璃体系与β-NaYF4晶体反应剧烈程度: 磷酸盐>硼酸盐>硅酸盐。

通过溶胶-凝胶方法对β-NaYF4∶ Eu3+进行了表面SiO2包裹处理, 并将其分散于溶胶中提拉成膜, 制备成发光薄膜。采用XRD、SEM、TEM、FTIR、UVPC、PL等测试手段进行了分析表征。结果表明: NaYF4表面被成功包裹上了一层SiO2, 形成了核壳结构, 并除去了表面油酸等有机物。表面包裹对NaYF4的晶型结构没有产生影响, 但荧光性能略有下降, 形貌趋向于圆形, 这是由于表面SiO2颗粒在形成网络结构的张力和溶剂溶解所致。采用提拉浸渍镀膜后, 发光粒子比较好地分散在薄膜上, 并且具有比较理想的透过率, 呈现出一定的减反射效果。由于SiO2包裹和热处理, O2-空位缺陷增强了Eu3+在420～500 nm波段的发光, 这对整个发光性能是有利的。而因为能量转移, 产生无辐射跃迁, 613 nm处发光产生猝灭。通过实验, 优化确定了制备发光薄膜的最佳工艺。

采用高温溶剂热法合成了下转换发光材料NaYF4∶Eu3+ 和NaYF4∶Eu3+,Tb3+ , 采用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、激发(PLE)谱和光致发光(PL)谱对材料的物相结构、形貌特征和发光性质进行了表征和研究, 并分析了其发光原理。结果表明：所合成的NaYF4∶Eu3+ 和NaYF4∶Eu3+,Tb3+ 为纯六方相晶体, 尺寸在100 nm左右; 改变Eu3+ 和Tb3+ 的掺杂浓度后晶格结构没有发生明显变化, 说明Eu3+ 和Tb3+ 取代的是Y3+的晶格位置; 在394 nm光的激发下, 检测到Eu3+ 在5D0→7F1 和5D0→7F2跃迁处的特征发射光, 并且可见光强度随着Eu3+ 离子掺杂浓度的变化而变化。另外Tb3+ 离子浓度对NaYF4∶Eu3+ 晶体结构产生了一定的影响, 说明掺杂Tb3+ 离子改变了Eu3+ 离子所处的配位环境, 导致红色发光带增强, 而这主要源于电偶极子跃迁的贡献。

采用红外光谱和X射线光电子能谱方法研究了锂铝硅酸盐玻璃结构与紫外透过性能的关系。结果表明: 紫外透过性能是桥氧键与非桥氧键共同作用决定的。在锂铝硅酸盐玻璃中随着Li2O含量的增加, 产生断网结构, 非桥氧数量上升, 导致紫外透过性能降低。而Al2O3中的Al3+进入玻璃网络形成了Si-O-Al反对称桥氧, 减缓透过率的下降趋势。