上转换发光能量转换效率超过5%，如何做到?
在纳米材料领域里，当「上转换发光」材料受到低能量的光激发，便能发出譬如紫外光等具有高能量的光，但缺点是发光强度不足，因而限制了这種材料的应用。由香港城市大学（城大）跨学系联合带领的一支研究团队于近日突破局限，成功研发出新方法，让上转换发光材料只需受极低功率的光激发，便能发出高能量、高强度的光。团队相信，研究成果有助微型光電仪器的研发与应用。
在纳米材料领域里，当「上转换发光」材料受到低能量的光激发，便能发出譬如紫外光等具有高能量的光，但缺点是发光强度不足，因而限制了这種材料的应用。由香港城市大学（城大）跨学系联合带领的一支研究团队于近日突破局限，成功研发出新方法，让上转换发光材料只需受极低功率的光激发，便能发出高能量、高强度的光。团队相信，研究成果有助微型光電仪器的研发与应用。
传统办法难解转化效率低问题
传统的荧光材料可以把短波长、高能量如紫外光的激发光子，转换成低能量、长波长的可见或者近红外发射光子。而「光子上转换」（photon upconversion）则刚好相反，是指上转换发光材料吸收波长较长、低能量的两个或多个光子后，发射出波长较短、能量较高的光的过程，是反斯托克斯（anti-Stokes）型的发光。这种类型的发光例子之一，便是将近红外光转化为可见光。
目前，掺杂了稀土的上转换发光纳米材料，能够通过多光子过程将低能量、长波长的近红外光子，转换为可见或者紫外的短波长、高能量的光子。然而，尽管人们做了大量的工作，上转换材料的发光效率依然偏低，阻碍了上转换粒子的进一步应用。
其中一个应对方法是在上转换基质材料中掺杂更多的发光离子，提升其掺杂浓度（dopant concentration）。但是，这又产生了另一个问题：表面上看起来发光离子掺杂越多，发光会越强，但提高发光离子的掺杂浓度则会导致「浓度猝灭」（concentration quenching），即是说，掺杂的离子越多，损失为热能的能量则越多，发光的强度因而更少。
城大团队研发新妙招
针对如何提高上转换发光强度、同时尽可能减少浓度淬灭的情况，由城大材料科学及工程学系副教授王锋博士与物理学系副教授朱世德博士联合带领的一支研究团队，便成功研究了新的应对方法。
他们先制成有核-壳纳米结构（core-shell nanostructured）的纳米粒子，这样即使在上转换材料掺杂了高浓度的发光离子，也不会导致显着的浓度淬灭，然后再利用微环谐振器来提高上转换纳米材料的激发功率，使得能量轉換效率超過5%。團隊並更進一步，成功以仅20 µW的极低激发功率，实现了上转换发光，利用低能量、长波长（1550nm）的光子，激发出高能量、低波长（380nm）的紫外光光子來光刻各種圖案，其反斯托克斯位移超过1150nm。
这项研究成果先前以“Integrating temporal and spatial control of electronic transitions for bright multiphoton upconversion”为题，发表于《自然通讯》上。
在实验里，团队选用近年来科学家发现的最理想、被公认为迄今能够产生最亮发光的上转换基质材料NaYF4，然后掺杂发光离子铒（Er）离子，所得出的纳米颗粒的核层组成成分是NaYF4:X%Er。其中X%就是Er离子的掺杂浓度，而Y即钇，和Er都是稀土元素，稀土元素总和是100%，那么Er/(Er+Y)这个比例就是X%。他们按照X%由2%至100%的不同掺杂浓度，逐一分析了Er离子每个能级的浓度猝灭机制。
最终团队成员们发现，利用有核-壳结构的纳米粒子作为材料，纳米粒子的外壳能有效地减低能量转化成热能的流失，从而大大减低浓度淬灭效应。然后他们再利用微环谐振器，成功提高了材料的激发效率，增加了上转换发光强度，特别是紫外部分的光强。
创新方式带来发展可能
王锋博士说︰“这种具有核-壳结构的纳米粒子能够成功提升上转换发光的强度，将有助开发上转换发光粒子在不同光子学上的应用。”
朱世德博士补充道，因为目前电讯行业技术日益成熟，廉价和高效的镭射和光器件十分普遍，他们相信这次研究成果将有助推动新颖微型光电器件的研发。
王博士和朱博士是文章通讯作者。第一作者是城大材料科学及工程学系前博士生，现化学系副研究员孙天瀛博士和物理学系博士生李玉花，其他成员包括城大博士生何韦乐、朱绮和陈献，以及来自哈尔滨工业大学（深圳）、厦门稀土材料研究所、香港理工大学、长春应用化学研究所和西安光学精密机械研究所的研究人员。
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本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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