稀土掺杂的上转换材料可以吸收近红外光并发射可见光,这一独特的发光特性使其在生命科学、光伏、传感、防伪等领域极具应用前景,是当前稀土发光材料的研究热点。特别是随着纳米制备技术的发展,上转换纳米晶相比有机染料分子或半导体量子点,应用于生物医学领域具有毒性小、稳定性好、探测深度远、辐射损伤低、信噪比高、无荧光闪烁等显著优点。稀土掺杂的六方（β）相NaYF4类纳米晶被认为是目前最高效的上转换体系,针对其在生物成像、检测、疾病治疗等方面的应用,国内外学者已开展了大量出色的研究工作。但上转换纳米晶的发光效率较低,即使包覆一定厚度的惰性壳,其发光效率依然比相应的体材料低1-2个数量级,所涉及到的能量损耗机制还处于争论中,须重新审视发光核与表面猝灭源之间的能量传递特征以及损耗途径,进而从新的角度探寻上转换纳米晶的效率提升方法。另一方面,上转换体材料在高温下通常会遭受热猝灭,但是我们发现小尺寸上转换纳米晶展现出异常的热致发光增强。这种异常发光热行为的关键决定因素还不清楚,仍需进一步研究,从而更深入地理解其内部能量迁移和上转换发光物理机制。此外,多色发射上转换纳米晶的防伪应用是当前的研究热点,但是现有识别方式昂贵复杂,这限制了高水平上转换防伪材料的商业应用,因此有必要开发识别方式简单快捷且安全性高的新型上转换防伪材料。本文针对上述几点问题进行了系统研究,具体内容如下:首先,揭示小尺寸上转换纳米晶热致发光增强机理。以不同尺寸NaGdF4:Yb/Ln和NaYF4:Yb/Ln（Ln=Ho,Er,或Tm）的上转换纳米晶以及核壳纳米晶为研究对象,研究了空气中温度依赖性发光和寿命以及不同环境气氛中的发光热行为。结果表明:（1）上转换纳米晶的热致发光增强现象确实存在,而且具有尺寸依赖性,尺寸越小,热致发光增强越显著;（2）热致发光增强仅在空气和Ar/H2O气氛环境中存在;（3）惰性壳纳米晶呈热猝灭,而活性壳纳米晶呈热致发光增强;（4）Yb3+2F5/2的下转换发光寿命在小尺寸纳米晶中呈温度依赖性增加,而在大尺寸微米晶中呈温度依赖性降低;（5）所有样品中的激活剂发光寿命随温度升高而降低。基于以上结果,我们提出了热致发光增强的机理:引起热致发光增强的关键外部因素是空气中的H2O分子,而主要内部因素是纳米晶中Yb3+离子,并且H2O分子主要猝灭Yb3+的激发态能量。由于小尺寸纳米晶具有较大的表面积/体积比,能吸附大量的H2O分子,在室温下,H2O分子引起Yb3+2F5/2激发态退激,Yb3+传递给激活剂的能量减少,上转换发光强度较弱;在高温下,纳米晶表面的H2O分子逐渐解吸,Yb3+将更多的能量传递给激活剂,上转换发光增强。因此,小尺寸上转换纳米晶的热致发光增强归因于逐渐衰减的表面H2O猝灭效应,它能完美地解释上述所有的热致发光增强特征。其次,证实了上转换核壳纳米晶能量损耗机制。以不同厚度惰性壳的NaGdF4:Yb/Er@NaGdF4纳米晶为研究对象,研究了核壳纳米晶在水或甲苯环境中的上转换发光强度,Yb3+2F5/2下转换发射谱与水或甲苯的吸收谱,壳层厚度依赖性寿命以及寿命方程。结果表明:（1）纳米晶在壳厚6 nm左右时,上转换发光最强,而完全抑制表面猝灭效应则需11 nm厚的惰性壳;（2）Yb3+2F5/2下转换发射谱与水或甲苯的吸收谱有不同程度的重叠;（3）发光寿命在壳厚11nm处趋于饱和;（4）推导的寿命方程能精确地拟合Yb3+和Er3+的寿命跟壳层厚度之间的关系。基于以上结果,我们提出了核壳纳米晶的能量损耗机制:表面猝灭效应本质上是一种泛频能量传递,即Yb3+2F5/2激发态能量被表面基团振动的泛频带吸收。泛频能量传递是通过稀土离子偶极子与分子基团原子偶极子间的耦合作用进行的,且有效的耦合距离为0-11 nm,这种能量传递方式也得到了寿命方程的佐证。基于以上机制,我们设计了超厚惰性壳纳米晶,通过提高有效发光体积或光学活性稀土离子（Yb/Er）浓度实现了较强的上转换发光。最后,设计了多种识别方式便捷的高水平上转换防伪材料。惰性壳纳米晶（核,7nm;壳,3.5nm）在高温下呈热猝灭,而活性壳纳米晶展现出热致发光增强。基于它们之间相反的发光温度依赖特性,我们设计了多种具有温度响应的多色发射核壳纳米晶混合物。这些混合物在激发升温过程中（30-150 ℃）可沿多种路径发生颜色变化,如白→绿/红/蓝;蓝→绿,绿→红,红→蓝等,色位移值为0.11-0.23。而且,通过吹风机加热,调节激光功率,或延长辐照时间（7.6 W/cm2）也可以实现多色发射,表明这些混合物纳米晶具有较高的安全性和便捷的认证方式,在防伪领域具有潜在的应用。此外,我们基于大尺寸微米晶与小尺寸活性壳纳米晶相反的发光热行为,还设计了微米/纳米晶混合物。这些混合物在激发升温过程中可沿多个路径（如绿?蓝或红?绿）发生显著的颜色变化,色位移值也增大,处于0.21-0.33之间。重要的是,由于NaYbF4活性壳具有优异的光热转换能力,这些混合物在相对低的功率（3.6W/cm2）辐照下,无需额外加热,30s内就可以实现明显的颜色变化。混合物的多色发射对温度和激光功率的敏感性进一步提高,表明这些高水平上转换防伪材料的实用性进一步增强。