在980纳米和808纳米激发下，掺杂Ho/Nd/Yb的单斜结构YNbO?单晶的上转换和下转换发射现象

《Journal of Luminescence》：Up- and down-conversion emissions from Ho/Nd/Yb co-doped monoclinic YNbO 4 single crystals under 980 nm and 808 nm excitations

单斜结构Y NbO4及其掺杂Yb2Ho0.4Nd1单晶通过光学浮区技术首次制备，并与立方YSZ掺杂晶体对比。实验表明单斜YNbO4具有更高透光率（>78%）和发光强度，其晶体结构对称性差异、光学透射特性及氧空位浓度不同是主因。首次系统研究两种晶体结构对 Ho3+/Yb3+ 能量传递及UCPL/DCPL光谱的影响。

　　这项研究主要聚焦于通过光学浮区法（Optical Floating Zone, OFZ）成功制备高质量的单晶材料，特别是单斜晶系的YNbO?和YNbO?:Yb?Ho?.?Nd?单晶。为了进行对比，研究团队还制备了未掺杂的立方氧化钇稳定氧化锆（YSZ）以及YSZ:Yb?Ho?.?Nd?单晶。这些单晶材料在光致发光性能方面展现出独特的特性，特别是在光子转换（包括上转换和下转换）方面，具有广泛的应用前景。

YNbO?是一种具有低缺陷浓度、高透明度、优良热和化学稳定性的材料，其单斜晶系结构在光学性能上具有显著优势。单斜晶系的特性使得某些电偶极跃迁的禁戒规则被打破，从而增强了稀土离子在材料中的光学跃迁概率，进而提升了发光强度。相比之下，YSZ材料由于其立方晶系结构，具有不同的光学和结构特性。尽管两种材料都表现出良好的透明度，但在某些关键性能指标上，YNbO?材料表现更优。例如，作为生长后的YNbO?单晶的氧空位浓度低于YSZ单晶，而透明度也更高，均超过了78%。这表明YNbO?材料在作为优良的光学基质方面具有更大的潜力。

在光致发光性能方面，研究发现YNbO?:Yb?Ho?.?Nd?单晶与YSZ:Yb?Ho?.?Nd?单晶在吸收和发射光谱上存在显著差异。在980纳米和808纳米激光照射下，YNbO?:Yb?Ho?.?Nd?单晶表现出更强的发光强度。具体来说，当使用980纳米激光激发时，YNbO?:Yb?Ho?.?Nd?单晶的上转换和下转换发光光谱在552、662、762和1204纳米波长处显示出明显的发射峰，而YSZ:Yb?Ho?.?Nd?单晶则在这些波长处的发射强度较低。同样，在808纳米激光照射下，YNbO?:Yb?Ho?.?Nd?单晶在552、662、900、1064、1204和1347纳米波长处也显示出更强的发光能力。这种差异主要源于材料的晶体结构、光学透明度以及氧空位浓度的不同。

研究还指出，Ho3?离子是一种优良的上转换发光中心，具有丰富的能量级结构，能够通过特定的跃迁过程产生绿色和红色的上转换发光。同时，Yb3?离子由于其在近红外波段（尤其是980纳米附近）具有较大的吸收截面，能够有效地将能量转移给其他稀土离子，从而提高发光效率。Nd3?离子则因其在808纳米附近的强吸收能力，成为一种重要的能量转移辅助离子。然而，Nd3?离子在直接激活传统稀土发光中心方面存在一定的限制，因为其能量级结构与这些发光中心之间存在不匹配，这限制了能量转移的效率。因此，在许多应用中，Yb3?离子被用作能量转移的媒介，以弥补Nd3?离子在直接激活方面的不足。

通过将Ho3?、Nd3?和Yb3?离子共同掺杂进YNbO?单晶中，研究团队期望能够实现更广泛的光致发光性能调控。这种多波段发光特性对于新型多波长激光器和光学传感器的研发具有重要意义，同时在激光技术、光学通信和生物医学成像等领域展现出广阔的应用前景。此外，YNbO?材料的高透明度使其在光电子设备中具有更大的应用潜力，特别是在需要高光学性能的场景下。

在实验过程中，研究团队采用X射线衍射（XRD）技术对所制备的单晶材料进行了结构表征。通过对比不同材料的XRD图谱，可以确认YNbO?和YNbO?:Yb?Ho?.?Nd?单晶具有单斜晶系结构，而YSZ和YSZ:Yb?Ho?.?Nd?单晶则呈现立方晶系结构。这一结构差异直接影响了材料的光学性能和发光效率。此外，研究团队还测量了这些单晶材料的吸收和透射光谱，以进一步分析掺杂离子对材料能量级结构的影响。

在光致发光性能测试中，研究团队对YNbO?:Yb?Ho?.?Nd?单晶在980纳米和808纳米激光照射下的上转换和下转换发光光谱进行了详细记录。结果表明，这些单晶在不同波长激发下均能产生丰富的发光峰，显示出良好的光致发光性能。同时，通过与YSZ:Yb?Ho?.?Nd?单晶的对比，研究团队发现YNbO?:Yb?Ho?.?Nd?单晶的发光强度显著更高。这种现象可能与材料的晶体结构、氧空位浓度以及光学透明度等因素有关。

本研究的成果为稀土离子掺杂材料在光电子领域的应用提供了新的思路和方向。通过优化材料的结构和掺杂比例，可以进一步提升其发光效率和光谱范围，从而满足不同应用场景的需求。此外，研究还强调了在选择合适的基质材料时，需要综合考虑其光学、物理和化学性能，以确保材料能够有效支持稀土离子的发光行为。

在实验方法方面，研究团队采用了光学浮区法，这是一种能够制备高质量单晶材料的先进技术。该方法通过控制材料的生长条件，能够有效减少杂质含量，提高晶体的纯度和均匀性。此外，研究团队还采用了多种表征手段，包括XRD、吸收和透射光谱测量，以及光致发光光谱分析，以全面评估材料的性能。这些表征手段不仅帮助研究人员确认了材料的结构和光学特性，还为理解稀土离子在材料中的行为提供了重要的依据。

从应用角度来看，这种新型稀土离子掺杂材料在多个领域都具有重要的研究价值。例如，在生物医学成像方面，由于Nd3?离子在808纳米附近的吸收能力较低，能够减少生物组织中的水吸收，从而避免因Yb3?离子与水的吸收重叠而导致的过热问题。这使得YNbO?:Yb?Ho?.?Nd?单晶在生物医学应用中更具优势。此外，在激光技术领域，这种材料能够实现更广泛的光谱发射，为多波长激光器的设计和开发提供了新的材料选择。

综上所述，这项研究不仅成功制备了高质量的YNbO?和YNbO?:Yb?Ho?.?Nd?单晶，还通过系统的性能测试和结构分析，揭示了这些材料在光致发光性能上的独特优势。这些成果为稀土离子掺杂材料在光电子领域的进一步研究和应用奠定了坚实的基础。同时，研究团队的工作也为材料科学和光学工程领域的学者提供了重要的参考和启发。