稀土（RE3+）激活的上转换和下转换功能材料，用于光学温度测量和固态照明

稀土纳米磷光体的合成、光物理机制及在光学测温与固态照明中的应用研究，重点比较Yb3?-Er3?上转换与Tb3?-Eu3?下转换系统的能量传递路径差异，探讨荧光强度比（FIR）测温技术原理与白光LED性能优化策略。

　　

米纳克希·贾（Minakshi Jha）| 施里达尔·达尔维（Shridhar Dalvi）

印度纳维孟买-410210，DUDET应用科学系化学部门，巴拉蒂维迪亚佩特（Bharati Vidyapeeth）

摘要

稀土（RE3?）激活的上转换和下转换纳米荧光体因其在光子能量传导方面的独特能力而受到广泛关注，为光学测温和固态照明应用带来了显著优势。尽管这两种系统（上转换和下转换）各自取得了显著进展，但对它们背后的合成挑战、光物理机制、能量传递以及设备级集成策略的参数探索仍缺乏全面和系统的理解。本文对基于稀土离子的纳米荧光体的合成、表面工程和掺杂策略的最新进展进行了深入分析，重点关注提高发光效率、热稳定性和颜色可调性。特别讨论了Yb3?-Er3?（上转换）和Tb3?-Eu3?（下转换）系统中的能量传递机制差异，以及这些差异如何影响温度传感性能和白光发射质量。荧光强度比（FIR）技术被作为一种强大的非侵入式光学测温工具，同时探讨了影响显色指数（CRI）、色温（CCT）和发光效率的光物理参数。随着对精确温度传感器和节能照明的需求不断增加，本文整合了基础研究与实际应用之间的关键知识。通过概述当前挑战并指明未来发展方向，本文为研究人员选择适合用于测温、照明和光电子领域的下一代荧光体材料提供了重要参考。

引言

高效能源利用和先进的光学传感是下一代光子技术的核心，这推动了稀土（RE3?）激活的上转换和下转换功能材料的发展，使其成为光学测温和固态照明的理想候选材料[1]。稀土（RE3?）激活的发光材料因其部分填充的4f轨道而成为不可或缺的功能材料类别，这些轨道赋予了材料尖锐的发射线、较长的激发态寿命以及出色的化学和热稳定性[2]。这些特性使RE3?掺杂系统在两个日益融合的领域——光学测温和固态照明（SSL）中处于领先地位[3]。基于RE3?掺杂材料的光学测温技术提供了一种非接触式、高分辨率的替代方案，可应用于传统温度传感器无法胜任的极端或生物敏感环境[4]。文献表明，Er3?、Yb3?和Dy3?激活的氟化物和氧化物已在恶劣操作条件下被广泛用于比率测温[5]。在各种光学测温方法中，荧光强度比（FIR）技术已成为全球公认的基准比率测量方法。FIR利用两个热耦合能级之间的发射比率进行温度测量，例如Eu3?的⁵D₀和⁵D₁、Ho3?的⁵F₄/⁵S₂、⁵F_2,3/³K₈、⁵G₆/⁴F₁、Er3?的²H_11/2和⁴S_3/2、Tm3?的³F_2,3和³H₄，并通过玻尔兹曼分布推导温度[6]。这种自参考方法减少了由激发波动、样品移动或光路变化引起的误差，实现了从低温到高温范围内的非接触式、低侵入性且无需校准的温度测量，空间分辨率可达亚微米级别[7]。

出于节能考虑，磷光转换白光二极管（PC-WLED）需求日益增长，因为全球25%的电力用于照明，而这部分照明产生了1.9吉吨的二氧化碳排放[8]。作为第四代照明设备，白光二极管（WLED）比白炽灯更优越、更高效，有助于减少碳排放和环境保护[9]。WLED具有高电光转换效率、低功耗、良好稳定性、小尺寸、高亮度和长工作寿命等优点[10]。目前市面上的WLED主要由蓝光发射的InGaN基LED芯片和黄光发射的Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺组成。然而，由于缺乏红光发射，其相关色温（CCT）较高（>8000K）且显色指数（CRI）较低（<70），限制了其应用范围[11]。PC-WLED面临的主要问题包括复杂涂层、发光性质不均匀、不同组件间的荧光再吸收导致发光效率下降、色点随时间变化以及制造成本增加[12]。在固态照明领域，为了实现高显色指数（CRI）、可调色温（CCT）和最低能量损失，人们开始关注能够有效利用RE3?离子跃迁产生白光或特定光谱输出的荧光体和宿主晶格[13]。

光物理机制与RE3?掺杂系统中的两个互补过程密切相关。上转换涉及连续吸收两个或多个低能光子以发射一个高能光子，这种反斯托克斯过程减少了生物介质中的自荧光和加热效应，使上转换纳米荧光体特别适用于基于FIR的温度测量。相比之下，下转换（或降转换）将高能光子转换为低能光子[14]，在紫外富集或高温环境中越来越多地用于FIR读出，同时也用于照明设备中的光谱调整。

在固态照明中，对高CRI、可调CCT和最低能量损失的需求推动了RE3?掺杂荧光体和宿主晶格的发展，这些材料能够有效利用4f–4f和4f–5d跃迁产生白光。例如，Ce3?掺杂的石榴石用于高功率LED，Eu2?激活的氮化物用于暖白光发射，以及新兴的下转换荧光体通过将不需要的多余高能光子转换为有用的可见光带来提升LED的光谱质量。最新研究表明，RE3?掺杂的纳米荧光体可以同时实现高发光效率、颜色可调性和多功能性。Shante等人展示了镧系元素掺杂纳米荧光体的成分优化显著提升了SSL系统的效率和稳定性[15]，而Rakshita等人则优化了白光荧光体的显色指数（CRI）和相关色温（CCT），直接将纳米荧光体设计与WLED性能联系起来[16]。Kiran等人结合光致发光和辐射屏蔽研究，展示了RE3?掺杂荧光体的多功能性[17]。Khajuria等人提供了关于RE3?掺杂纳米颗粒温度依赖性发光的见解，这些颗粒在生物成像和光学测温中具有应用潜力[18]。Via?a等人展示了基于纳米荧光体的LED涂层中的先进光管理策略，提高了设备效率[19]，Chandwani等人则将结构参数与发光特性联系起来，加深了对SSL荧光体中宿主-掺杂剂相互作用的理解[20]。可持续性是当前的重要需求。例如，绿色合成的β-NaBiF?:Yb3?,Er3?和Tb3?,Eu3?:CeF??纳米荧光体在测温、闪烁和防伪方面表现出优异性能[7][21]。这些研究共同表明，RE3?掺杂纳米荧光体已从简单的发射体发展成为多功能平台，集成了高效SSL、比率测温、剂量测量和可持续合成等功能[27]。

部分内容摘要

上转换（UC）和下转换（DS）纳米荧光体的合成技术

合成策略显著影响RE3?掺杂纳米荧光体的结构、形态和光学性质，从而影响其在光学测温和固态照明应用中的性能。传统的高温合成方法适用于块状荧光体，而基于溶液和绿色化学的方法则能够精确控制尺寸、形状和生物相容性，使其在新兴应用中得到更广泛的应用[29]。

WLED和光学测温中提升性能的表面工程和掺杂策略

RE3?掺杂的UCNP和DSNP的光学性能不仅受宿主晶格和合成方法的影响，还受到刻意设计的表面工程和掺杂策略的调控。这些方法调节了发光效率、热灵敏度、颜色稳定性和长期操作稳定性，从而决定了它们在固态照明（WLED）和温度传感中的应用适用性[50]。

UCNP和DSNP中的能量传递机制

UCNP和DSNP中敏化剂（供体）离子向激活剂（受体）离子的能量传递主要由F?rster和Dexter提出的经典理论解释。F?rster共振能量传递（FRET）通过长程偶极-偶极相互作用实现，需要供体发射和受体吸收之间的显著光谱重叠，传递率与(R?/R)⁶成正比，其中R是供体-受体距离，R?是F?rster半径[60]。

基于荧光强度比（FIR）技术的光学测温

利用稀土（RE3?）掺杂的UCNP和DSNP进行光学测温是一种非接触式、高空间分辨率的方法，尤其适用于极端或微纳尺度条件。最广泛采用的方法是荧光强度比（FIR）技术，它利用RE3?离子两个热耦合能级之间的温度依赖性 population 分布进行温度测量[6]。

起源和机制理解

发光的热淬灭是一个内在过程，严重影响光学测温材料的性能。当温度升高时，非辐射弛豫通道被激活，与发光中心的辐射发射竞争。这些通道通常涉及多声子弛豫、热辅助的非发射态转换或激发能向宿主晶格的回流，从而导致发射强度下降

用于固态照明的纳米荧光体

对高效、高质量固态照明（SSL）的追求推动了磷光转换发光二极管（PC-LED）和磷光转换白光二极管（PC-WLED）在照明技术中的发展。然而，要实现具有优异光谱质量的白光（如CRI和CCT参数所定义的），在材料层面仍存在持续挑战

结论与展望

RE3?掺杂的上转换和下转换纳米荧光体已成为高度多功能的功能材料，为推进光学测温和固态照明技术提供了重要平台。本文强调了合成策略、表面工程和掺杂方法在提升荧光体光物理性能方面的关键作用

CRediT作者贡献声明

米纳克希·贾（Minakshi Jha）：撰写与编辑、验证、监督、软件开发、数据分析、概念构思。施里达尔·达尔维（Shridhar Dalvi）：资源提供。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。