稀土掺杂的上转换微纳晶体在短波长激光器，三维立体显示，太阳能电池以及高对比度光学成像和光动力治疗等领域具有非常大的潜力和优势。尤其是稀土掺杂的纳米材料的低毒，无光漂白，成像对比度高，以及组织成像深度深等优点使之已经成为新生代红外生物荧光标记探针。尽管上转换微纳晶体具有极好的物理化学特性，但目前也存在一些关键的合成与光谱难题亟待解决，主要包括：上转换微纳晶体的控制生长和自组装、组份和结构的优化、上转换荧光的增强，以及采用核壳结构实现高灵敏多色调节和独特的上转换基质开发等。本文以稀土氟化物为研究对象，在上转换微纳晶体生长机理、荧光增强方法、高灵敏多色调节、开发新的上转换基质材料以及在医学应用等方面开展了系统的研究。对使用油酸作为络合剂制备六方相NaYF₄:Yb³⁺/Tm³⁺(Er³⁺)微米晶的合成机理进行了系统研究。发现溶解-再结晶的转化机制决定了最终样品的晶相和生长机制。通过油酸对晶核的特性吸附来控制晶体的表面能，从而实现对稀土掺杂的NaYF₄微米晶形貌演变的控制。深入研究了上转换荧光特性与微米晶形貌的关系，结果表明上转换荧光强度依赖于上转换微米晶的体积比表面积。控制合成具有良好形貌、尺寸、组成和核壳结构的稀土掺杂NaYF₄纳米晶。通过改变NaYF₄:Yb³⁺/Pr³⁺体系中Yb³⁺离子掺杂浓度，不仅将上转换纳米晶尺寸从30nm调节到150nm，而且有效地增强了蓝色荧光输出。阐明了纳米晶尺寸和光谱调节的机理。通过设计同质核壳结构成功地将发光中心和淬灭中心分离，实现对NaYF₄:Yb³⁺/Tm³⁺纳米晶荧光增强，并对其上转换增强机制进行详细的解释。更关键的是，利用制备的核壳结构氟化物纳米材料作为探针进行活体组织多色成像实验，结果证实设计的核壳结构氟化物纳米粒子能够做到无背景、多色活体成像。通过操控晶核与精选的不同性质壳层材料之间纳米尺度相互作用实现上转换荧光增强和高灵敏多色调节。独特的异质核壳CaF₂:2Ho³⁺/20Yb³⁺@NaGdF₄纳米晶（17nm）已经被设计应用于生物医学成像。此核壳结构将CaF₂:2Ho³⁺/20Yb³⁺纳米晶的绿色荧光强度提高了39倍，这是由于NaGdF₄壳层对超小尺寸晶核（仅4nm）突出的影响做成的，壳层显著地抑制了超小纳米晶表面淬灭。此外，对异质核壳纳米晶绿色上转换能级寿命进行了测试，结果显示了更长的能级寿命，这也证明了核壳结构起到了隔离发光离子与表面淬灭中心的作用。此外，与高效率的NaYF₄：2Ho³⁺/20Yb³⁺纳米晶进行比较，发现我们设计的异质核壳纳米晶具有更强的绿色上转换荧光。提出采用包覆不同性质的壳层材料对上转换进行高灵敏多色调节，实现了高亮度的多色上转换荧光输出，并对多色调节机理进行了详细的分析。单色上转换发射的设计。通过在KMnF₃微米晶基质中掺杂Yb³⁺/Er³⁺,Yb³⁺/Ho³⁺, and Yb³⁺/Tm³⁺离子，都实现了单红色上转换输出。重要的是，我们观察到单色上转换特性并不依赖于掺杂离子浓度和泵浦功率的改变。此外，我们还在KMnF₃:Yb³⁺/Er³⁺体系中改变Gd³⁺离子掺杂量实现了多色荧光调节。KMnF₃: Yb³⁺/Er³⁺/Gd³⁺体系中通过Er³⁺、Mn²⁺和Gd³⁺离子之间的能量传递实现多色荧光输出。单斜相Na₃ScF₆微米晶也被成功的合成了，由于Sc³⁺离子小的离子半径致使1%Er³⁺/2%Yb³⁺掺杂的Na₃ScF₆微米晶具有极好的绿色上转换荧光输出特性。进一步推动上转换材料在显示、太阳能电池以及生物成像方面的应用。