1. 研究目的与意义（文献综述）

纳米技术(nanotechnology)已经成为21世纪前沿科学技术的代表之一，纳米科技发展迅速，研究范围逐渐与不同学科深入交叉，研究成果不断向各个领域渗透。稀土上转换发光纳米材料（upconversionluminescent nanomaterials）是一类重要并且很特殊的纳米发光材料，具有独特的能级结构和优异的光学特性。光子上转换（uc）是一个光子学现象，特征是将几个长波长的光子能量转换成一个短波长光子能量进行辐射的过程^[1]，例如红外或近红外（nir）光源激发下发射出可见或紫外区域的光。这种现象与我们熟知的 stokes 定律是相违背的^[2]。auzel于1966 年提出了“上转换发光”这个概念，通过 yb³ 离子宽的吸收截面敏化稀土激活离子发光，红外光激发下，将可见上转换荧光强度提高了两个数量级^[3]。随后，上转换荧光材料的研究得到科学工作者们的广泛关注，并得到迅猛发展。到目前为止，最有效的上转换荧光材料是由 menyuk^[4]于1972和kano等人^[5]于1973在yb³ /er³ 双掺的nayf₄中获得的。近年来，上转换发光材料广泛应用于固体激光^[6,7]，太阳能电池^[8]，红外成像，三维显示^[9]等领域，尤其是作为一种新型荧光标记物在分析化学，生物医学，刑事技术等领域有着重要的理论意义和广阔的实际应用前景，备受科研工作者的广泛关注。

在生物医学领域，尤其在生物标记及生物检测等应用方面，稀土上转换发光材料具有明显的应用优势。第一，与传统荧光标记物如有机染料和量子点等相比，上转换发光纳米材料的激发光为红外光，有效的避免了生物样品自体荧光的干扰和散射光现象，降低检测背景，提高信噪比和检测的灵敏度。第二，激发光为红外光，对生物组织有良好的穿透能力，对生物体造成的光损害较小。第三，稀土上转换发光材料具有毒性低^[10]，发光强度高，光稳定性能好，发光寿命长等优点。这些特点使稀土上转换纳米发光材料在生物标记及生物检测领域具有广阔的应用前景。

对上转换发光机理的研究主要集中在稀土离子的能级跃迁上。目前，稀土离子的五种上转换发光机理可归纳为：(1)激发态吸收(2)能量传递上转换(3)交叉驰豫(4)合作敏化上转换(5)光子雪崩^[11]。目前，高效的上转换发光材料主要是掺杂稀土元素的固体化合物，分为双掺杂和单掺杂两种。双掺杂型由基质、敏化剂和激活剂组成，后两者为掺杂成分。单掺杂型由基质和激活剂组成，后者为掺杂组分。基质是发光材料的主体，不构成发光能级，但能为激活剂提供适宜的晶体场，使其产生特定发射。在 3价稀土离子中，sc³ 、y³ 和la³ 无4f电子，lu³ 的4f亚层全充满，都具有密闭的壳层，是光学惰性的，适合作基质材料。同时，为了保证发光效率，基质材料必须要有较低的声子能量。而且基质材料还应有一定的机械强度和化学稳定性。在基质中作为发光中心而掺入的离子称为激活剂。稀土离子pr³ 、nd³ 、sm³ 、tb³ 、er³ 、tm³ 等具有丰富的能级，由于4f能级的电子屏蔽作用使其能级寿命较长，是目前常用的上转换材料的激活剂。在基质中掺入的能够吸收外界能量并传递给激活剂的离子称为敏化剂。yb³ 离子只有一个激发态，是上转换发光材料中最常见的敏化剂。目前，yb³ -er³ 、yb³ -tm³ 、yb³ -ho³ 离子对^[12]组成的双掺杂上转换发光材料具有很高的上转换发光效率，是目前研究的热点。

在稀土离子掺杂上转换材料的主体基质选择中，由于稀土氟化物具有低的声子能(~300cm^-1)和较高的化学稳定性，因此通常将其作为基质材料，如nagdf₄，nayf₄，naluf₄等作为优异的基质材料已经被人们广泛研究^[13]。nascf₄化学性质稳定、声子能量低、较低无辐射弛豫概率，也是一种新型高效的基质材料，sc³ 由于具有较小的离子半径和独特的电子构型,使得基于钪基氟化物的基质材料有着不同其他稀土元素的光学性质，但是由于sc元素提取成本高昂，在空气中易潮解，故对sc基纳米材料的研究相对较少。kale等^[14]将sc³ 掺入到nayf₄ :yb³ , tm³ 纳米晶中，破坏了tm³ 局域晶体场的对称性，提高了上转换发光强度；teng等采用溶剂热合成了nascf₄ :yb³ ,er³ 纳米晶，并且通过调节油酸和十八烯的比例实现了nascf4 :yb³ ,er³ 纳米晶从纯单斜相到六角相的转换，并且发现nascf₄ :yb³ ,er³ 纳米晶的上转换发射光谱不同于nayf₄ :yb³ ,er³ 的上转换发射光谱。艾玉等采用简单的水热法合成了nascf₄纳米晶，通过掺杂yb³ ，er³ 或yb³ ，tm³ 或yb³ ，eu³ 等实现了nascf₄的多色上转换发光。pang等^[15]采用一步法成功的合成了具有红色上转换发光特性的nascf₄ :yb³ ,er³ 纳米晶，并采用nascf₄ :yb³ 活性壳包裹，使得红色发光增强了6.8 倍。

2. 研究的基本内容与方案

材料制备：以nascf₄为基质材料，er/yb共掺，其中er³ 为激活剂，yb³

为敏化剂；采用三氟乙酸盐热分解法进行er/yb共掺nascf₄纳米颗粒的制备；

材料表征：纳米颗粒的粒径采用透射电子显微镜（tem）表征，晶体类型采用多晶x-射线衍射衍射仪（xrd）检测，上转换发光性能采用荧光分光光度计检测，热性能用差示扫描量热（dsc）分析以及热重（tg）分析。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－10周：设计实验完成变量不同的样品并对其进行表征。

第11－14周：分析实验数据，撰写小论文、毕业论文和申请专利。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] auzel f. upconversion and anti-stokesprocesses with f and d ions in solids[j]. chem. rev, 2004, 104(1):139-173.

[2] lee y j, kim t g, sung y m.lattice distortion and luminescence of cd se/zn se nanocrystals[j]. nanotech，2006，17(14):3539-3542.

[3] auzel f. computeur quantique par transferd'énergie de yb³ , tm³ dans an tungstate mixte et dansun verre gemanate. acad c.r. sci.(paris),1966,262：1016.