约 19 nm Sc2O3:Er3+、Yb3+ 纳米粒子的水热合成和上转换特性，并详细研究了能量转移机制

介绍

红外到可见光上转换发光 (UCL) 因其基本价值 [1,2,3] 及其在上转换激光器、生物成像、红外成像、太阳能电池等方面的各种潜在应用而被广泛研究 [4,5,6,7]。 ,8]。 Er ³⁺ 的共掺杂 和高浓度的敏化剂 Yb ³⁺ 形成最具吸引力的能量转移 (ET) 上转换系统 [1]。在敏化剂 Yb ³⁺ 的 980 nm 红外激发下 ，该系统可以产生源自 ( ² H11/2, ⁴ S3/2) → ⁴ I15/2 和 ⁴ F9/2 → ⁴ Er ³⁺ 的I15/2跃迁 , 分别 [9]。选择合适的主体材料对于合成具有良好光学特性（如高 UC 效率和可控发射曲线）的镧系元素掺杂纳米晶体 (NC) 至关重要。实际应用需要开发更高效、高稳定性、低激发密度的 UC 材料 [10, 11]。氧化物材料通常在化学、机械和热方面非常稳定，因此可能是 UC 应用的有希望的宿主 [3, 12,13,14,15,16]。立方倍半氧化物材料（如 Y2O3、Lu2O3、Sc2O3 等）显示出特殊的结构特征和物理性质。例如，Y2O3 作为典型的氧化物主体表现出出色的 UCL [3, 17]。 Sc2O3 的晶格参数最小。 Sc2O3 中短的 Sc-Sc 键长可以在 Yb ³⁺ 内产生短距离 -Er ³⁺ 对，加速 Yb ³⁺ → Er ³⁺ 能量转移。在我们之前的工作中，Sc2O3：Er ³⁺ , Yb ³⁺ 纳米结构是使用双相溶剂热 (ST) 方法获得的 [17]。与使用固态 (SS) 反应合成的大量样品相比，该样品中的红色 UCL 得到增强。纳米结构的平均晶体尺寸减小到200 nm左右，有利于在荧光成像中的应用。

多种化学技术，包括共沉淀、溶剂热合成 (ST)、水热法 (HT)、溶胶-凝胶加工、热分解等，已被证明可以合成镧系元素掺杂的 UC NCs [14, 18,19,20 ,21,22]。合成程序的优化对于获得具有定制晶体尺寸、形态、表面功能化和光学特性的 NC 至关重要。 HT 方法是一个不错的选择，因为它方便、不受污染，并且可以在相对较低的温度下达到令人满意的结晶度 [23]。赵等人。利用油酸介导的 HT 方法合成 UC NaYF4 纳米棒、纳米管和花图案纳米盘 [20]。陈等人。准备好的Fe ³⁺ 共掺杂 NaYF4：Er、Yb UC NC，通过 HT 方法使用油酸作为封端配体和表面改性剂 [24]。在这项工作中，Sc2O3：Er ³⁺ , Yb ³⁺ 首先通过简单的油酸介导的 HT 方法合成了平均直径为 19 nm 的纳米粒子 (NPs)。我们在这个 Sc2O3 中发现了更强的 UCL：Er ³⁺ , Yb ³⁺ NPs 样品，其中红色 UCL 增强了 4 倍，与 ST 方法相同优化浓度的 Sc2O3 样品相比。 UCL 增强可归因于减少的表面基团和更长的寿命。另外，HT-Sc2O3的UCL性质和机理：Er ³⁺ , Yb ³⁺ 通过光谱分布、功率相关性和寿命测量研究了纳米颗粒。

实验

样品准备

Sc2O3：Er ³⁺ , Yb ³⁺ 通过在乙醇方案中水解相关矿物盐，通过 HT 方法制备样品。将高纯原料 Sc2O3、Er2O3 和 Yb2O3 粉末分别溶解在稀 HNO3 和去离子水中，得到阳离子硝酸盐溶液。将相应摩尔比的Sc(NO3)3、Er(NO3)3和Yb(NO3)3溶液溶解在无水乙醇(20ml)中，搅拌形成均匀溶液。然后在搅拌30分钟的同时将氢氧化钠水溶液(2ml)滴加到上述混合物中，接着加入油酸(1ml)，然后剧烈搅拌1至2小时。将所得悬浮液置于密闭的聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，容量为 50 毫升，并在 180°C 下加热 24 小时。高压釜冷却至室温后，自然离心沉淀，分别用去离子水和无水乙醇洗涤数次。在真空烘箱中在 80°C 下干燥 15 小时并在 700°C 下退火 2 小时后获得粉末。为了比较，我们在相同的烧结温度 700 °C 下制备了通过 ST 法制备的 Sc2O3 样品 [17]。

测量和表征

在 X 射线粉末衍射仪（Rigaku D/Max IIA）上使用 Cu-Kα 辐射（λ =1.54056 Å）收集粉末 X 射线衍射（XRD）数据。通过使用在 200 kV 加速电压下操作的透射电子显微镜 (JEM-2000EX) 获得透射电子显微镜 (TEM) 图像。 UCL 光谱是用分光光度计（Hitachi F-7000）记录的，红外光谱是用 Triax 550 光谱仪（Jobin-Yvon）在室温下用功率可控的 980 nm 二极管激光器泵浦的。透射模式的红外光谱在 Thermofisher Nicolet IS50 FT-IR 光谱仪上测量，使用压制的 KBr 片。在荧光寿命测量中，将光学参量振荡器（OPO）调谐至980 nm作为激发源，并通过泰克数字示波器（TDS 3052）检测信号。

结果与讨论

标称组成为Sc2O3：1%Er ³⁺ 的HT法样品的XRD图谱表征结构如图1a所示 , y%Yb ³⁺ (x =0, 5, 10, 15)。纯相 Sc2O3 根据 JCPDS 卡 84-1884 合成。主晶格表现出矿物方铁锰矿结构，具有 \( Ia\overline{3} \) (T ^h 2）对称性[25]。在这种结构中，Sc ³⁺ 是有效离子半径 (0.745 Å) 的六倍。 Yb ³⁺ 离子拥有较大的离子半径 (0.868 Å) 占据 Sc ³⁺ 位点以扩大晶格单元体积，使 XRD 峰向更小的角度移动，如 Yb ³⁺ 浓度增加，如图 1b 的放大图案所示。为了进一步揭示形态和尺寸分布，制备的 Sc2O3 样品通过 TEM 进行表征。图 2a 为 HT-Sc2O3:1%Er ³⁺ 的 TEM 图像 , 5%Yb ³⁺ .我们获得了具有相对均匀的尺寸和良好的单分散性的球形纳米颗粒。图2b描绘了尺寸分布的直方图；这些数据是从 300 多个 NP 的 TEM 图像中获得的。确定纳米颗粒的平均直径约为 19 nm。

一 HT-Sc2O3 的 XRD 谱：1%Er ³⁺ , y%Yb ³⁺ (x =0, 5, 10, 15) NP。 b 衍射角范围为30°至33°的放大图案

一 TEM 图像和 b HT-Sc2O3 粒径分布直方图：1%Er ³⁺ , 5%Yb ³⁺ NPs

图 3 为 Sc2O3:1%Er ³⁺ 的 UCL 谱图 , 10%Yb ³⁺ (a) 和 Sc2O3：1%Er ³⁺ , 5%Yb ³⁺ (b) HT 和 ST 方法在 980 nm 激发下制备的样品，输出功率密度为 3 mW mm ^-2 .以~ 550 和 660 nm 为中心的强发射带归因于 4f - 4f Er ³⁺ 的电子跃迁 :( ² H11/2, ⁴ S3/2) → ⁴ I15/2 和 ⁴ F9/2 → ⁴ 分别为 I15/2 转换。插图展示了相应样品的数码照片。结果表明，与 ST 样品相比，HT 样品的 UCL 显着增强。对于 HT-Sc2O3 样品，与相应的 ST-Sc2O3 样品相比，计算出的红色 UCL 增强因子约为 4。众所周知，样品尺寸对UCL强度有影响，随着尺寸的减小而减小。然而，对于 HT-Sc2O3 样品，它拥有更小的尺寸和更密集的 UCL。表明HT-Sc2O3样品是一种具有强UCL、体积小、适用于生物领域的优良材料。

Sc2O3的UCL光谱：1%Er ³⁺ , 10%Yb ³⁺ (a ) 和 Sc2O3:1%Er ³⁺ , 5%Yb ³⁺ (b ) 分别通过 HT 和 ST 方法制备的样品，在 980 nm 激发下泵浦。插图为相应样品的数码照片

HT-Sc2O3:1%Er ³⁺ 的FTIR光谱 , 5%/10%Yb ³⁺ 和 ST-Sc2O3：1%Er ³⁺ , 5%Yb ³⁺ /10%Yb ³⁺ 样品如图 4 所示。 3429 cm ^{− 1} 附近的宽带 归因于油酸 (OA) 和水中 –OH 的伸缩振动 [26, 27]。 2925 和 2850 cm ^{− 1} OA 分子的长烷基链中亚甲基 (CH2) 的不对称和对称伸缩振动分配了吸收带。条带的锐度表明烃链是有序的。反对称甲基拉伸 (CH3) 被视为 2975 cm ^-1 峰上的肩峰 . 1200–1750 cm ⁻¹ 的波段 可以归因于油酸分子中的 C=O 和空气中的 CO2 的振动 [28]。在热处理过程中，微晶表面可能发生了碳酸盐的转变。这些结果证明样品表面存在封端配体。图 4 显示 ST-Sc2O3 样品的 –OH 振动吸收强度更强。 HT/ST-Sc2O3表面基团强度：1%Er ³⁺ , 10%Yb ³⁺ 样品均强于共掺杂 5%Yb ³⁺ 样品。丰富的表面基团和可用的大振动量子可以有效地增强MPR过程，导致发光下降。

HT-Sc2O3的FTIR光谱：1%Er ³⁺ , 5%/10%Yb ³⁺ (a ) 和 ST-Sc2O3:1%Er ³⁺ , 5%Yb ³⁺ /10%Yb ³⁺ (b ) 样品

为了准确描述Er ³⁺ 中的填充机制 /Yb ³⁺ 共掺杂 HT-Sc2O3 样品，光谱分布对 Er ³⁺ 的依赖性 /Yb ³⁺ 浓度进行了详细的研究。

HT-Sc2O3的UCL光谱：x%Er ³⁺ , 10%Yb ³⁺ (x =0, 0.5, 1, 2) 在 980 nm 激发下如图 5a 所示。对于固定的 Yb ³⁺ 浓度为 10%，Er ³⁺ 观察到最强的 UCL 浓度在1%左右。当 Er ³⁺ 浓度超过 1%，由于 Er ³⁺ 的交叉弛豫（CR），强度开始减弱 离子 [17]。 HT-Sc2O3的UCL光谱：1%Er ³⁺ , y%Yb ³⁺ , (y =0, 5, 10, 15) 如图 5b 所示。对于 Er ³⁺ 单掺杂的 Sc2O3，其 UC 发射非常微弱，放大了 100 倍。 Yb ³⁺ 的ET过程 → Er ³⁺ 在 UCL 增强中起主导作用。对于 Yb ³⁺ 观察到最强的 UCL 固定最佳Er ³⁺ 时的浓度为5% 浓度1%。

HT-Sc2O3的UCL光谱：x%Er ³⁺ , 10%Yb ³⁺ (x =0, 0.5, 1, 2) (a ) 和 HT-Sc2O3:1%Er ³⁺ , y%Yb ³⁺ , (y =0, 5, 10, 15) (b ) 在 980 nm 激发下

同种样品在1000-1700 nm范围内的近红外发射光谱如图6所示。在Er ³⁺ /Yb ³⁺ 共掺杂样品，980 nm 光子激发 Yb ³⁺ : ² F7/2 → ² F5/2 在 1000–1200 nm 激发 Er ³⁺ 离子变成 ⁴ I11/2 水平通过非共振声子辅助 ET 过程 [9]。 Er ^{3+ 4} 中的离子 I11/2 能级非辐射衰减至 ⁴ I13/2 能级，然后辐射到基态，发射大约 1550 nm 的光子 [9]。在图 6a 中，如 Er ³⁺ 浓度增加，Yb ³⁺ 排放量稳步下降，这证明了有效的 Yb ³⁺ → Er ³⁺ ET。 Er ³⁺ Er ³⁺ 时发射逐渐增加 浓度从 0 增加到 1%，然后由于 Er ³⁺ 的自吸收而略有下降 离子。在图 6b 中，Er ³⁺ : ⁴ 当Yb ³⁺ 时，I​​13/2发射逐渐增强 浓度从 0% 增加到 5%，但随后开始下降。作为 Yb ³⁺ 浓度增加，Yb ³⁺ 增强了 980 nm 光子吸收能力。 Yb ³⁺ 排放强度显示增加。同时，随着Yb-Yb和Yb-Er对距离的减小，Yb ³⁺ 之间的能量迁移增强 离子加速了来自 Yb ³⁺ 的 ET 到 Er ³⁺ .它导致 Er ³⁺ 的数量增加 : ⁴ I13/2 水平，但 Yb ³⁺ 的减少之一 : ² F5/2级。由于 Er ³⁺ 的淬灭 由 Yb ³⁺ 离子，Er ³⁺ 的发射 : ⁴ I13/2 → ⁴ I15/2 达到最大值然后下降。

HT-Sc2O3 在 1000-1700 nm 范围内的近红外发射光谱：x%Er ³⁺ , 10%Yb ³⁺ (x =0, 0.5, 1, 2) (a ) 和 HT-Sc2O3:1%Er ³⁺ , y%Yb ³⁺ , (y =0, 5, 10, 15) (b ) 在 980 nm 激发下

Er ³⁺ 的泵浦功率依赖性 :( ² H11/2, ⁴ S3/2) → ⁴ I15/2 和 Er ³⁺ : ⁴ F9/2 → ⁴ HT-Sc2O3 中的 I15/2 强度：1%Er ³⁺ , 10%Yb ³⁺ 在 980 nm 激发下测量并在图 7 中以双对数刻度绘制。对于 UCL 过程，UCL 强度 (I UCL) 取决于泵浦激光功率 (P ) 作为等式：I 伦敦大学学院 ∝ Pn 其中 n 是每个发射的上转换光子吸收的泵浦光子数 [29]。 n 可以从 log (I ) 并记录 (P ）。对于两步 ET 过程，n 由于线性衰减和UC过程之间的竞争，理论上值小于2。图 7 显示了斜率 n 在低泵浦功率密度下，红色和绿色发射值分别为 2.5 和 2.1。表明除了两步过程外，HT-Sc2O3中还存在三光子过程：1%Er ³⁺ , 10%Yb ³⁺ NPs [30, 31]。

Er ³⁺ 的功率依赖曲线 :( ² H11/2, ⁴ S3/2) → ⁴ I15/2 和 ⁴ F9/2 → ⁴ HT-Sc2O3 中的 I15/2 跃迁：1%Er ³⁺ , 10%Yb ³⁺ NPs

上变频机制如图8所示，ET过程如下：

• ET①：Yb ³⁺ : ² F5/2 + Er ³⁺ : ⁴ I15/2 → Yb ³⁺ : ² F7/2 + Er ³⁺ : ⁴ I11/2

  • 呃 ³⁺ : ⁴ I11/2 → Er ³⁺ : ⁴ I13/2 (MPR)

• ET②：Yb ³⁺ : ² F5/2 + Er ³⁺ : ⁴ I13/2 → Yb ³⁺ : ² F7/2 + Er ³⁺ : ⁴ F9/2

• ET③：Yb ³⁺ : ² F5/2 + Er ³⁺ : ⁴ I11/2 → Yb ³⁺ : ² F7/2 + Er ³⁺ : ⁴ F7/2

  • 呃 ³⁺ : ⁴ F7/2 → Er ³⁺ :( ² H11/2, ⁴ S3/2) (MPR)

• ET④：Yb ³⁺ : ² F5/2 + Er ³⁺ : ⁴ F9/2 → Yb ³⁺ : ² F7/2 + Er ³⁺ : ² H9/2

  • 呃 ³⁺ : ² H9/2 → Er ³⁺ :( ² H11/2, ⁴ S3/2) (MPR)

  • 呃 ³⁺ :( ² H11/2, ⁴ S3/2) → Er ³⁺ : ⁴ F9/2 (MPR)

• ET⑤：Yb ³⁺ : ² F5/2 + Er ³⁺ :( ² H11/2, ⁴ S3/2) → Yb ³⁺ : ² F7/2 + Er ³⁺ : ² G7/2

Sc2O3 中的能级图和主要上转换机制：Er ³⁺ , Yb ³⁺ 980 nm 泵浦下的纳米粒子

为了验证和对上述UCL结果进行理论解释，我们利用简化的稳态方程。

$$ \frac{dn_0}{dt}=0 $$ (1) $$ \frac{dn_1}{dt}={n}_2{W}_{21}-{C}_2{N}_1{n }_1-\frac{n_1}{\tau_1} $$ (2) $$ \frac{dn_2}{dt}={C}_1{N}_1{n}_0-{C}_3{N}_1{ n}_2-{n}_2{W}_{21}-\frac{n_2}{\tau_2} $$ (3) $$ \frac{dn_3}{dt}={C}_2{N}_1{ n}_1-{C}_4{N}_1{n}_3-\frac{n_3}{\tau_3} $$ (4) $$ \frac{dn_4}{dt}={C}_3{N}_1 {n}_2-{C}_5{N}_1{n}_4-\frac{n_4}{\tau_4} $$ (5) $$ \frac{dN_1}{dt}=\sigma {IN}_0- {C}_1{N}_1{n}_0-{C}_2{N}_1{n}_1-{C}_3{N}_1{n}_2-{C}_4{N}_1{n} _3-{C}_5{N}_1{n}_4-\frac{N_1}{\tau_{Yb}}=0 $$ (6)

其中 σ 是 Yb ³⁺ 的吸收截面 离子，I 是入射泵浦功率，N 我 是 i 的人口密度 Yb ³⁺ 的第 1 级 , n 我 是 i 的人口密度 Er ³⁺ 的第 1 级 参与上变频过程，τ i 是 i 的生命周期 Er ³⁺ 的第 1 级 和 τ Yb 是 ² 的生命周期 F5/2级Yb ³⁺ , C 我 表示Yb ³⁺ 的ET系数 → Er ³⁺ 对于步骤 i =1、2、3、4、5 和 W 21 表示 Er ³⁺ 1 和 2 级之间的非辐射率 离子。

与两步法相比，从近红外到可见光的三光子过程的 UC 效率降低 [32]。此外，当泵浦功率足够高时，高光子过程很突出。 Er ³⁺ 的激发 : ⁴ F9/2 由 ET 到 Er ³⁺ : ² 由于我们实验中的弱泵，H9/2 可以忽略不计。由方程式(4)、红色发射强度(I 红色）可以通过

获得 $$ {I}_{红}={\gamma}_3{n}_3={\gamma}_3{C}_2{\tau}_3{I}_{Yb}{I}_{n_1} $$

由于 Er ³⁺ 的 CR – Er ³⁺ 不考虑交互作用，寿命，τ 3、是常数。也就是说，\( {\mathrm{I}}_{\mathrm{Red}}\propto {\mathrm{I}}_{\mathrm{Yb}}{\mathrm{I}}_{{\ mathrm{n}}_1} \)，其中 I Yb 和 I n1代表Yb ³⁺ 的发射强度 : ² F5/2 和 Er ³⁺ : ⁴ 分别为 I13/2。 γ3 是红色发射的辐射率。计算出的 I 各种 Er ³⁺ 的重估 /Yb ³⁺ 浓度显示在图 9 中，按比例缩放到最大值。为了比较，I 还描述了直接从 UCL 发射光谱获得的红色值。计算和实验 I 红色趋势相互一致，在同一 Er ³⁺ 处获得最佳值 /Yb ³⁺ 浓度，证明了实验数据的有效性。

计算的和实验的红色发射强度 (I 红色）不同 Er ³⁺ 的值 /Yb ³⁺ 浓度。强度被缩放到最大

三光子绿色和红色UC过程同时发生导致相应n的增加 值。同时，n 红色 UC 过程的值比绿色 UC 过程的值增加更有效。在图 8 中，绿色和红色 UCL 可以由 CR 填充，如 Er ³⁺ : ⁴ G11/2 + Er ³⁺ : ⁴ I15/2 → Er ³⁺ :( ² H11/2, ⁴ S3/2) + Er ³⁺ : ⁴ I13/2 和 Er ³⁺ : ⁴ G11/2 + Yb ³⁺ : ² F7/2 → Er ³⁺ : ⁴ F9/2 + Yb ³⁺ : ² F5/2，分别[31]。三光子绿光 UCL 是通过两个 Er ³⁺ 之间的交叉弛豫过程 离子；然而，三光子红UCL中的交叉弛豫介于Yb ³⁺ 和 Er ³⁺ 离子。由于 Yb ³⁺ 浓度远高于Er ³⁺ 在我们的实验中，三光子红色UC工艺比三光子绿色UC工艺更有效，导致n的快速增加 红色 UCL 的价值。另外需要注意的是，所有的三光子过程都很少，所以n 值明显偏离 3。在高泵浦功率密度下，由于 UC 过程占主导地位，两个斜率逐渐下降到 1 [33]。

Er ³⁺ 的衰减曲线 :( ² H11/2, ⁴ S3/2) → ⁴ I15/2 和 ⁴ F9/2 → ⁴ HT-Sc2O3 和 ST-Sc2O3 样品在 980 nm 激发波长下的 I15/2 跃迁已被测量并显示在图 10 中。红色和绿色发射的衰减时间是通过将相应衰减曲线下的面积与归一化初始强度。图 10a、b 显示了 HT-Sc2O3:1%Er ³⁺ 中的绿光和红光发射寿命 , 5%Yb ³⁺ 比 ST-Sc2O3 长：1%Er ³⁺ , 5%Yb ³⁺ .寿命与水平人口成正比。较长的值表明 HT-Sc2O3 样品中红色和绿色 UCL 较强。在我们之前的报告中，我们发现我们的样本比文献中的衰减寿命值更短。实际上，Er ³⁺ 的衰减时间 :( ² H11/2, ⁴ S3/2) → ⁴ I15/2 和 ⁴ F9/2 → ⁴ HT/ST-Sc2O3 的 I15/2 排放：1%Er ³⁺ , 5%Yb ³⁺ 样本彼此接近。如果 Er ³⁺ : ⁴ F9/2 级别由 Er ³⁺ 的 MPR 过程填充 :( ² H11/2, ⁴ S3/2) 电平，Er ³⁺ 的衰减时间 : ⁴ F9/2级接近Er ³⁺ : ⁴ S3/2 级。然而，这个 MPR 过程对于 Er ³⁺ 的种群是低效的 : ⁴ F9/2 级 [17]。还有另一种非 MPR 机制来填充 Er ³⁺ : ⁴ F9/2level from Er ³⁺ : ⁴ S3/2 级。机制涉及CR ET：Er ³⁺ :( ² H11/2, ⁴ S3/2) + Yb ³⁺ : ² F7/2 → Er ³⁺ : ⁴ I13/2 + Yb ³⁺ : ² F5/2；然后，在同一个 Er ³⁺ –Yb ³⁺ 对，能量回传 (CRB) Yb ³⁺ : ² F5/2 + Er ³⁺ : ⁴ I13/2 → Yb ³⁺ : ² F5/2 + Er ³⁺ : ⁴ F9/2 发生 [1]。如果CRB过程占Er ³⁺ 种群的主要途径 : ⁴ F9/2级，Er ³⁺ 的衰减时间 : ⁴ F9/2电平应该几乎等于Er ³⁺ 的衰减时间 : ⁴ S3/2 级。 CRB过程在低激发密度下快速高效。

Er ³⁺ 的衰减曲线 :( ² H11/2, ⁴ S3/2) → ⁴ I15/2 和 ⁴ F9/2 → ⁴ 980 nm激发波长下HT-Sc2O3和ST-Sc2O3样品的I15/2跃迁

图 11 显示了三种典型倍半氧化物在 980 nm 激发下的 UCL 光谱。 Sc2O3：1%Er ³⁺ , 5%Yb ³⁺ 样品在一系列光谱中表现出最强的 UCL。此外，Er ³⁺ 的发射线 : ⁴ 相对于 Y2O3，Sc2O3 中最低能量侧的 F9/2 能级向较长波长侧移动 8 nm。 Sc2O3 中最近的 Sc-Sc 距离为 3.27 Å，比 Y2O3 中的 Y-Y 距离（3.752 Å）短 [3, 17]。 Sc2O3 中的平均 Sc-O 键长 (2.121 Å) 比 Y2O3 中的平均 Y-O 键长 (2.263 Å) 短。 Er ³⁺ /Yb ³⁺ 在 Sc ³⁺ Sc2O3 中的位点经历比 Y ³⁺ 上更强的晶体场 Y2O3 中的站点。光谱的红移可归因于 Er ³⁺ 的大 Stark 分裂 Sc2O3 宿主中的离子。 Y2O3 和 Lu2O3 样品的形貌也通过 TEM 表征，分别如图 11a、b 的插图所示，用于比较。得到的球形颗粒都凝聚成块状。 HT法合成的Sc2O3纳米颗粒具有较好的分散性和均匀性，有利于其在生物检测和医学影像方面的应用。

Er ³⁺ 的UCL光谱 /Yb ³⁺ 980 nm激发下共掺杂典型倍半氧化物

结论

总之，Sc2O3：Er ³⁺ , Yb ³⁺ 通过简单的油酸介导的 HT 过程合成了约 19 nm 的纳米颗粒。 Sc2O3：Er ³⁺ , Yb ³⁺ HT 法 NPs 显示出更强的 UCL，与 ST 法相同优化浓度 Sc2O3 样品相比，其中红色 UCL 增强了 4 倍。 UCL 增强可归因于减少的表面基团和更长的寿命。表面基团增强了 MPR，导致发光下降。在980 nm激发下，Er ³⁺ 的衰减曲线 :( ² H11/2, ⁴ S3/2) → ⁴ I15/2 和 ⁴ F9/2 → ⁴ HT-Sc2O3 的 I15/2 排放量：1%Er ³⁺ , 5%Yb ³⁺ 样本彼此接近，这是由于填充 Er ³⁺ 的非 MPR 机制造成的 : ⁴ 来自 Er ³⁺ 的 F9/2 级 : ⁴ S3/2 级。机制涉及CR ET：Er ³⁺ :( ² H11/2, ⁴ S3/2) + Yb ³⁺ : ² F7/2 → Er ³⁺ : ⁴ I13/2 + Yb ³⁺ : ² F5/2；然后，在同一个 Er ³⁺ –Yb ³⁺ 对，能量回传 (CRB) Yb ³⁺ : ² F5/2 + Er ³⁺ : ⁴ I13/2 → Yb ³⁺ : ² F5/2 + Er ³⁺ : ⁴ F9/2 出现。在相对较低的功率密度下，log(I ) vs log(P ) 的红色和绿色发射分别为 2.5 和 2.1，由于三光子过程的存在，它们大于 2。与典型的倍半氧化物（Y2O3 和 Lu2O3）相比，Sc2O3：1%Er ³⁺ , 5%Yb ³⁺ NPs 表现出更强的 UCL。此外，在Sc2O3中Er ³⁺ 的发射线 : ⁴ 由于 Er ³⁺ 的大斯塔克分裂，在最低能量侧的 F9/2 能级相对于 Y2O3 中的能级移动到较长波长侧 8 nm Sc2O3 宿主中的离子。结果显示 Sc2O3：Er ³⁺ , Yb ³⁺ 纳米颗粒（NPs）是生物领域实现小尺寸强UCL的优良材料。

缩写

CR：

交叉松弛

ET：

能量转移

HT：

热液

NC：

纳米晶体

NP：

纳米粒子

OPO：

光参量振荡器

ST：

溶剂热

TEM：

透射电子显微镜

伦敦大学学院：

上转换发光

XRD：

X射线衍射