稀土上转换纳米晶体溶剂热生长机理分析及可控制备应用

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稀土上转换纳米晶体(upconversion nanocrystal,UCNC)具有独特的反斯托克斯位移光学性质、光谱可调、生物组织穿透能力高、抗光漂白、便于多功能集成等优点,使其在生物诊疗探针构建和其它诸多领域具有良好的前景。高效可控制备是实现UCNC应用的关键基础。溶剂热法是目前最常用的高效可控UCNC制备方法之一,然而该方法仍难于实现六方晶相(β)NaYbF4基质UCNC的可控制备,导致在研究β-NaYbF4基质UCNC发光性质等方面严重受限。鉴于β-NaYbF4是一种潜在的高效上转换发光基质材料,本论文主要通过对UCNC溶剂热生长机理进行分析研究,实现β-NaYbF4基质UCNC的可控制备,并将研究结果应用于解决经典溶剂热法难于克服的另外两种UCNC可控制备问题,具体内容如下:(1)通过探究溶剂热生长机理,实现了高质量、单分散β-NaYbF4的可控制备。经典溶剂热法认为,将钠源NaOH和氟源NH4F的甲醇溶液加入溶剂热反应体系(油酸/十八烯/稀土前驱体)之后,NaOH和NH4F会以其本身的形态参与UCNC成核和生长过程。我们发现,NaOH并不是以其本身的形态参与UCNC生长,而是在甲醇中会与NH4F完全反应,转变为纳米尺寸NaF。纳米NaF在有机相中溶解较困难导致UCNC成核效率较低,以NaOH为钠源所制备UCNC粒径较大。受此启发,我们发现采用另外一种钠源油酸钠(NaOA)时,将NaOA先于氟源NH4F加入溶剂热反应体系,NaOA和油酸(OA)形成NaOA·OA复合物,会有效抑制NaOA与NH4F反应生成NaF,从而保证较高的成核效率,同时促使体系中NH4F分解产生HF。HF的生成促使高温反应时立方晶相(α)UCNC的溶解,加速UCNC从α相向β相的转变。基于此,我们提出了一种双钠源策略,将NaOA作为主要钠源加入溶剂热反应体系,然后将少量NaOH加入NH4F的甲醇溶液形成纳米NaF,以NaOA促进UCNC从α相向β相的转变,以纳米NaF的量调控UCNC的尺寸,实现了β-NaYbF4:Er的高度可控制备(11.0 nm-21.4 nm),并对β-NaYbF4:Er的发光性质进行了研究。结果表明,生长惰性壳层的β-NaYbF4:Er具有高上转换荧光发光效率。此外,所提出的策略还具有普适性,实现了经典UCNC结构β-NaYF4:Yb/Er的高度可控制备(9.5 nm-24.6 nm)。(2)以NaOA为钠源,通过在线调控溶剂热体系中原位产生NaF的水平,实现了尺寸小于10 nm、低剂量Gd3+掺杂(0 mol%,10 mol%)β-NaYbF4:Er的可控制备(注:“在线调控溶剂热体系中原位产生NaF的水平”是指NaF的量是在溶剂热反应体系中利用不同量的NaOA和NH4F反应进行调控的,即把溶剂热体系中的反应称为在线调控)。我们首次揭示在钠源为NaOA的溶剂热反应体系中,形成α晶核有效的钠源和氟源水平不仅受钠源、氟源与稀土前驱体的比例控制,同时也受体系中原位NaF生成反应的影响。严重的原位NaF生成反应将导致溶剂热反应体系中钠源或氟源不足,使NaYbF4:Er从α相到β相的转变受阻,形成大粒径β-NaYbF4:Er。我们通过在化学计量比附近精确调控溶剂热体系中氟源与稀土前驱体的比例(NH4F/RE=4:1),平衡溶剂热体系中NaF生成反应与用于纳米晶体成核的有效钠源和氟源水平,实现了尺寸小于10 nm的单分散β-NaYbF4:Er(9.5 nm)和Gd3+掺杂(10 mol%)β-NaYbF4:Er(5.5 nm)的可控制备。(3)通过离线调控NaF的尺寸和形貌,控制其在溶剂热反应体系中的溶解释放特性,成功实现了单分散、高结晶度、尺寸小于5 nmβ-NaGdF4:Yb/Er的可控制备(注:“离线调控NaF尺寸/形貌”指NaF尺寸/形貌的调控是在未加入到溶剂热体系中时,就已在离心管中对NaF尺寸/形貌调控好了,即把溶剂热体系外的反应称为离线调控)。与文献采用NaOH-NH4F甲醇溶液形成纳米NaF,进行溶剂热法制备β-NaGdF4:Yb/Er不同,我们以部分NaOA替代NaOH加入到NH4F的甲醇溶液中,对NaF的尺寸和形貌协同调控,获得的NaF能够提供合适的晶体成核和生长条件,实现了高度单分散、尺寸小于5 nmβ-NaGdF4:Yb/Er的可控制备。这种策略既不需要长时间的晶体成核,也不需要低的晶体生长温度,可以快速实现高结晶度β-NaGdF4:Yb/Er的制备。
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