稀土掺杂多模态复合材料的制备、发光机理及其多功能应用研究

来源 :吉林大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wyslymx2
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近年来,数据及信息安全已成为各行业面临的全球性问题。为了提高信息编码的安全性,开发一种制备工艺简单、低成本、环境友好的防伪技术受到越来越多的关注。传统的单色防伪形式如水印、条码等容易被复制和盗版,因此精度不高。有机磷光材料由于热稳定性和光稳定性差,不适合长期存储信息。多色纳米防伪材料具有独特的优点,例如在特征激发波长下的空间可分辨颜色,多级数据加密,不易复制等特征。此外,非接触式荧光测温在温度测量及控制领域应用前景突出。如果能制备出集测温和防伪于一体的多功能材料,那将会大大方便我们的生活。对于多功能材料的选择及设计要依托于材料的物理化学性能好、来源广、环境友好、制作工艺简单等特征。众所周知,无机稀土掺杂发光材料因其具有丰富的能级结构、发光波长范围较广、能级寿命长等优势备受关注。特别是稀土掺杂氧化物具有稳定性好,合成简单的优点。碳点凭借其毒性低、发光效率高、生物兼容性强等优势,在成像及传感领域都有潜在的应用价值。然而,如何将材料通过简单的方式复合,设计发光中心的位置及能量传递方式是我们本文的研究重点。通过查阅大量文献发现多数研究主要集中于对氟化物核壳结构的设计及优化,实现多模态发光的目的。但考虑到合成的简单易行和可大规模制备的可行性,我们选取性能稳定、廉价的氧化物做基质来设计复合材料。本文研究了稀土掺杂YVO4/YPO4氧化物纳米核壳材料和YVO4/碳量子点(Carbon Dots,CDs)复合材料的制备,并探讨了能量传递机制,温度的依赖特性及其在防伪领域中的应用。具体研究结果如下:(1)采用简单的水热法成功合成YVO4:Er3+,Yb3+@YPO4:Eu3+纳米颗粒,实现了氧化物之间的生长。通过实验探究出YVO4:Er3+,Yb3+核的最佳pH,并确定了Er3+和Yb3+离子的最佳掺杂浓度。当YPO4:Eu3+壳层进一步生长后,明显促进了核的发光,使Er3+的绿光增强,而且核中的VO43-获得能量后可以高效传递给壳中的Eu3+离子。基于980 nm激发下Er3+的高强度绿光发射和320 nm激发下Eu3+明亮的红光,可实现颜色之间的调谐,这种核壳结构有利于实现变功率下多色发光的目的(固定氙灯电流不变,改变980 nm激光器的功率密度),为防伪领域提供了新的选择。另外,这种核壳结构的设计可以达到双模式测温的目的,是一种集防伪与测温为一体的多功能纳米粒子。(2)CDs因其出色的发光特性、稳定性、生物相容性和环境友好型等优点是目前最受欢迎的发光材料之一。通过高温液相裂解法成功制备出了稳定的蓝光碳点(绿色余辉光时间达到5 s),同时采用水热法合成了YVO4:Eu3+纳米粒子,分别对样品的形貌、晶相、吸收光谱、激发和发射光谱等进行了表征。鉴于两种材料激发光谱的差异,按1:1的比例物理混合两种材料制备出了二元温度探针,利用非热耦合的形式实现了可循环的高灵敏度测温。最后,将混合后的样品分散到聚丙烯酸(PAA)交联剂中制备出防伪油墨,这种复合方式成功的实现了紫外灯(254 nm和365 nm)下颜色可调的发光,关闭365 nm光源可看到超长余辉绿色余辉光(10s),这是一种操作简单的四模态防伪模式。此外,实验表明CDs的发光具有较好的稳定性,存放较长的时间,防伪图案依然稳定存在,因此这种复合材料可以对防伪信息进行长期稳定地保存。
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