1.研究背景

近几年来，纳米技术和纳米科学发展的越来越快，越来越多的科学工作者开始研究稀土纳米发光材料^[1-2]。发光材料的发光机理有两种:一种是吸收一个高能量短波辐射，发射出低能量长波辐射的 Stokes 效应，即下转换；另外一种是吸收低能量长波辐射，发射出高能量短波辐射的按体Stokes 效应，即上转换^[3]。而上转换发光材料主要分为两类，其中一类是有机上转换材料，是目前研究比较成熟的基于双光子的上转换过程，不过，这种有机膜效率比较低下，难以发展；另一类是无机上转换材料，这种无机上转换材料掺杂有稀土或过渡金属离子，其中以稀土掺杂的上转换材料研究最有成就，上转换效率相对于有机材料来说也比较高^[4]。

稀土掺杂上转换纳米发光材料，是指掺杂有稀土离子的固体纳米粒子，经红外照射后可以将低能量长波变成高能量短波^[4]，是一种非常有发展潜力和应用前景的功能材料。早在20世纪50年代初，就有人开始了上转换发光材料的研究，并在红外探测器上有了初步应用^[6]。到20世纪60年代中期，Auzel/Oveyankin 和Feotilovzai^[7]提出了上转换这一概念，接着Auzel等^[8]详细研究了稀土离子掺杂材料由激发态吸收、能量传递以及合作敏化引起的上转换发光^[9]。1979 年，J.S.Chivian 等^[10]又在基于Pr³ 离子的红外量子计数器中发现了雪崩上转换现象。1986 年，Johnson用BaY₂F₈ :Yb/Er和 BaY₂F₈ :Yb/Ho在77k的温度下用闪光灯泵，第一次产生了绿色的上转换激光。随着众多科研工作者的投入研究，人们发现上转换材料独特的光学性能，这使得它在生物标记^[11]、三维显示^[12]、防伪油墨^[13]、固态激光^[14]、太阳能电池^[15]、光动力治疗^[16]等方面有着巨大的应用前景，上转换材料逐渐成为材料学及相关领域的研究热点。

2.研究现状

2.1发光机理

由于稀土元素独特的能级特性，目前研究的上转换主要是稀土掺杂上转换材料。上转换发光机理的研究主要集中在稀土离子的能级跃迁、基质材料和激活离子三个方面上，

2.1.1稀土

稀土元素是指元素周期表中原子序数从57号（镧，La）到71号（镥，Lu）15 种镧系元素加上ⅢB 族的钪（Sc）和钇（Y），共 17 种元素。稀土元素具有未充满的4f电子壳层，电子在4f能级之间的跃迁可以产生荧光，光谱约具有3000 条可观察到的谱线，可以发射从紫外光、可见光到红外光区的各种波长的电磁辐射，因而我们通常通过掺杂稀土元素来制备上转换发光材料 ^[17]。目前已在稀土掺杂上转换发光材料中，掺杂的稀土元素主要有Er³ ，Tm³ ，Yb³ ，Gb³ 和Ho³ 等^[18-21]。

2.1.2发光机制

目前，上转换发光原理基本上可以总结为三种形式:激发态吸收、能量传递、光子雪崩^[22]。