稀土上轉換發光是一種重要的非線性反斯托克斯發光現象，在超分辨成像、光遺傳、納米溫度傳感、信息安全以及三維顯示等領域具有重要應用。研究表明，調制離子之間的能量傳遞過程是調控發光的重要手段。其中交叉弛豫是一種典型的相互作用，往往容易導致發光衰減甚至猝滅。如何實現交叉弛豫介導的上轉換光色調控，并揭示其中的光物理機制是本領域的一個挑戰性課題。

   近日，華南理工大學周博教授團隊在**期刊Adv. Mater.上分發表了題為“Cross Relaxation Enables Spatiotemporal Color-Switchable Upconversion in a Single Sandwich Nanoparticle for Information Security”的文章。文章報道了一種基于交叉弛豫介導的上轉換光色調控策略。設計了NaYF4:Gd@NaYbF4:Tm@NaYF4三明治納米核殼結構，通過調制Tm3+離子的交叉弛豫過程實現了時空調控的光色可切換發光。調節Tm3+離子摻雜濃度可改變離子間據進而調控交叉弛豫，在980 nm穩態激發時得到Tm3+的藍色到紅色的發光顏色轉變。研究同時發現，交叉弛豫與自發輻射存在競爭，而交叉弛豫在時域上比自發輻射稍慢，采用脈沖激光非穩態激發實現了紅-藍發光顏色切換。本文深入探討了高摻雜納米系統中離子相互作用的時域特征和物理機制，特別是定義了“特征猝滅時間”用于定量描述交叉弛豫的時域特征。時空調控光色輸出在信息安全、多模式防偽和納米光子學等領域展現出重大應用潛力。

圖1. 交叉弛豫介導的上轉換發光調控示意圖：a)交叉弛豫(WCR)和自發輻射(Ar)的競爭；b)離子之間共振和非共振交叉弛豫；c)交叉弛豫速率(WCR)與能量失配的關系(?E)；d) NaYF4:Gd@NaYbF4:Tm@NaYF4三明治納米結構及激發模式調控實現可調發光。

圖2. 樣品表征和發光性能：a) 樣品表征；b)不同Tm3+濃度摻雜樣品的發光光譜；c,d)發光強度和壽命變化；e) Tm3+離子之間的部分交叉弛豫過程。

圖3. 穩態激發的光色調控：a,b) Tm3+濃度摻雜樣品980 nm穩態激發的發射光譜及紅-藍比變化規律；c)不同摻雜濃度樣品發光對應的CIE坐標值和發光照片；d) Yb3+濃度摻雜樣品的紅-藍比；e)不同摻雜濃度時的發光和交叉弛豫示意圖。

圖4. 非穩態激發的光色調控：a,b)不同脈寬980 nm激光激發的發射光譜、對應的CIE坐標以及發光照片；c-f)發射峰的暫態曲線；g)發光層厚度變化樣品在穩態激發時的紅-藍比和在非穩態激發時的藍-紅比；h)脈沖調控的可能動力學過程

 圖5. 前沿應用：a)穩態防偽演示；b)脈沖激發的多模式防偽；c)時域信息存儲。

文章DOI  https://doi.org/10.1002/adma.202310524

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本文中上轉換發射光譜測試使用卓立漢光公司的OmniFluo990穩態瞬態熒光光譜儀完成。OmniFluo990為模塊化搭建結構，通過搭配不同的光源、檢測器和各類附件，為紫外/可見/近紅外發光測試提供綜合解決方案，也為稀土上轉換材料的光色調控研究提供有利工具。