镧系稀土离子掺杂的上转换材料由于具有发射谱线尖锐、斯托克斯位移大、抗光漂白能力强、发射多色可调节等特点,在多色显示、防伪、编码译码、生物标记等领域具有广阔的应用前景。近年来,对稀土离子的上转换发光进行调控使其具有特殊的发射特征（如单峰红光、单峰近红外光、双色正交发光等）已经成为了上转换研究的热点。其中以Er³⁺作为激活剂离子的上转换发光材料(如NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺)由于具有较高的发光效率、良好的光谱调节特性以及易于软化学合成等优势,得到了广泛的关注和研究。Er³⁺的发射在不同的基质中比较类似,一般表现出一个强绿光和一个相对较弱的红光发射,整体光色呈现为绿色。实际应用中为了满足不同的应用对材料的不同需求,往往需要对Er³⁺基上转换发光材料的上转换光谱进行调控。目前已经有很多研究报道了对Er³⁺基上转换发光材料发光的调控,但是也存在一些问题,例如:高浓度掺杂下的发光猝灭、光色不纯、调控机理不明确、纳米形貌和尺寸不可控、荧光强度不够、强红光难以复合到核壳结构中等。红色作为三原色之一,其波长正好处于生物标记的光学窗口范围（600-1700 nm）,在显示、生物等领域有着不可或缺的作用,因此研究Er³⁺的红光发射有着十分重要的科研和实际意义。基于此,本文提出了通过稀土离子在基质中的非平衡取代来获得单峰红光的方法,并且研究了在Mn²⁺调控Er³⁺发射过程中的能量传递以及不同Mn²⁺能级高度对Er³⁺的选择性调控现象。另外,利用软化学核壳纳米合成法,将Er³⁺的红光巧妙地复合到了单颗粒上转换纳米材料中,成功地实现了激发控制的红-蓝、红-绿双色上转换发射和红-绿-蓝三色上转换发射。本论文分为六章。第一章介绍了上转换的基本概念、材料组成、应用进展和发光调控,在此基础上引出了本文的研究主题。第二章介绍了整篇论文的实验参数。第三章到第五章介绍了调控Er³⁺发光以及将Er³⁺的红光复合到纳米材料中的研究。第六章为结论。本论文的主要研究内容和取得的研究结果如下:（1）通过溶剂热法合成了Yb³⁺/Er³⁺共掺杂的KMgF₃纳米材料,获得了980 nm激发下的单峰红光上转换。从离子半径、电荷匹配和基质晶体结构等方面分析了KMgF₃基质中稀土离子的取代,认为Yb³⁺/Er³⁺会优先取代基质中的Mg²⁺。进一步分析了Er³⁺的上转换发射光谱和能级结构,红光发射来源于其⁴F_9/2→⁴I_15/2跃迁,且不受Yb³⁺/Er³⁺掺杂浓度和激发功率的影响。对不同激发功率下的上转换发射光谱分析表明了Er³⁺的红光为双光子过程。Er³⁺在类似的ABF₃（KZnF₃和KCdF₃）基质中具有相似的上转换发光,均表现出红光强和绿光弱,且都属于双光子过程。通过对稀土离子在KMgF₃基质中取代情况进行建模分析,分别计算了各种取代情况下的总能,发现Yb³⁺/Er³⁺对KMgF₃基质离子(K⁺,Mg²⁺)的取代在取代原子(Yb³⁺/Er³⁺)间距最近时体系总能最低,表明了Yb³⁺/Er³⁺在KMgF₃中倾向于发生聚集形成稀土离子团簇。进一步探究了在KMgF₃基质中不同稀土离子的寿命随浓度变化的规律,以及通过Er³⁺能级寿命与其在ABF₃基质（KZnF₃和KCdF₃）中的对比,进一步证实了稀土离子团簇的存在。最终得到了红光的上转换发射机理为:Yb³⁺/Er³⁺在KMgF₃中发生非平衡取代导致了稀土离子(Yb³⁺或Er³⁺)团簇的产生,从而稀土离子发生交叉弛豫,减弱了绿光同时增加了红光发射,最终实现了KMgF₃:Yb³⁺/Er³⁺的单峰红光上转换。（2）通过溶剂热法合成了不同浓度的Mn²⁺掺杂的ABF₃:Yb³⁺/Er³⁺/xMn²⁺（A=K,Cs;B=Zn,Cd）。通过研究KZnF₃:0.5%Yb³⁺,0.5%Er³⁺,xMn²⁺中Er³⁺的绿光和红光上转换光谱以及相应的寿命随Mn²⁺掺杂浓度的变化规律,得出了Mn²⁺在KZnF₃中调控Er³⁺的机理,从发光和寿命角度证实了Er³⁺-Mn²⁺-Er³⁺的能量传递。进一步研究了不同的Mn²⁺能级高度对基质中Er³⁺红光-绿光发射比例的调控,从发光强度和寿命的角度分析了不同调制结果的原因。得出结论:Mn²⁺在基质材料中⁴T₁能级高于Er³⁺绿光发射能级时,Er³⁺与Mn²⁺之间的能量传递会发生改变,导致Er³⁺的绿光发射增强;⁴T₁能级位置越高,越有利于Er³⁺的绿光增强。（3）提出了一种基于外层光子阻挡层的阻挡效应来实现多色正交上转换激发-发射的策略,基于此设计并合成了一系列红光基“智能”纳米材料。通过对中间隔离层厚度、外层光子阻挡层厚度以及阻挡层中Yb³⁺的浓度的优化,以NaErF₄:0.5%Tm³⁺为红光发射内核,以NaYbF₄:0.5%Tm³⁺、NaYbF₄:0.5%Tm³⁺@NaYF₄:50%Nd³⁺/10%Yb³⁺、NaYF₄:80%-Yb³⁺/2%Ho³⁺、NaYF₄:80%Yb³⁺/2%Ho³⁺@NaYF₄:50%Nd³⁺/10%Yb³⁺分别为蓝光和绿光发射的外层光子阻挡层,合成了三激光（808/980/1550 nm）激发下的红光-蓝光以及红光-绿光正交发射上转换纳米材料。实验合成的正交上转换发光纳米材料在不同激发光功率密度的激发下发光颜色较为稳定,蓝光为三光子过程,红光和绿光均为双光子过程。通过改变合成参数,将内层材料替换成808 nm激发下蓝光发射的NaYF₄:20%Nd³⁺/-20%Yb³⁺@NaYF₄:30%Yb³⁺/0.5%Tm³⁺核壳纳米,同时外层光子阻挡层采用对980 nm激发光功率密度敏感的NaYbF₄:1%Ho³⁺,实验成功合成了在808 nm和不同功率密度980nm激发下发射三色红光-绿光-蓝光（R-G-B）的上转换纳米材料。该研究合成的纳米材料在显示、防伪、编码译码、生物成像等领域均具有很大的应用前景。