在柔性独立薄膜中，经过K+改性的NaGdF4:Er3+/Yb3+颗粒表现出增强的上转换发光特性，适用于热传感应用

《ACS Omega》：Enhanced Upconversion Emission from K+-Modified NaGdF4:Er3+/Yb3+ Particles in Flexible Free-Standing Films for Thermal Sensing Application

稀土掺杂钾离子改性纳米颗粒的荧光增强与柔性薄膜热敏性能研究。

　　在现代科技领域，光学材料的开发正成为推动多个关键行业发展的核心动力之一。这些材料在光电子、生物成像、热传感、环境监测和医疗诊断等领域的应用潜力正在被不断挖掘。特别是稀土元素掺杂的材料，因其独特的发光特性，如窄发射波段、长激发态寿命和高光稳定性，受到了广泛关注。然而，要实现这些材料的最优性能，选择合适的基质材料至关重要。基质需要具备高光学透明度、良好的离子溶解性、低晶格声子能量以及出色的化学和热稳定性，这些特性共同决定了材料的发光效率和长期可靠性。

在众多可能的基质材料中，稀土氟化物因其低声子能量（通常低于500 cm?1）而备受青睐，与氧化物基质相比，它们在可见光和近红外区域能够实现高效的发射过程。然而，将稀土掺杂的纳米颗粒分散到聚合物系统中时，其发光性能往往会受到影响，导致发光减弱。这种现象限制了这些材料在实际应用中的使用，尤其是在需要高温稳定性和环境适应性的场景中。因此，研究人员开始探索不同的方法，以提高稀土离子的发光效率并改善整体性能。

其中，引入碱金属离子，如锂离子（Li?）和钾离子（K?），被证明是一种有效策略。碱金属的加入不仅增强了上转换（UC）发光，还对纳米颗粒的形态进行了调控。在本研究中，通过在NaGdF?:Er3?/Yb3?纳米颗粒中引入钾离子，研究人员成功地改变了其形态，使其呈现更清晰的六边形结构，并延长了其激发态寿命。这些纳米颗粒被嵌入到透明且柔性的羧甲基纤维素（CMC）基质中，从而制备出具有广泛应用前景的自由悬浮薄膜。

在实验过程中，研究人员通过水热法合成了一系列不同钾离子含量的NaGdF?:Er3?/Yb3?纳米颗粒。这些纳米颗粒的形态在扫描电子显微镜（SEM）下得到了验证，随着钾离子浓度的增加，纳米颗粒呈现出更长的棒状结构。同时，通过X射线衍射（XRD）分析，研究人员确认了所有样品均保持了六方晶系结构，这表明碱金属的引入并未改变其晶体结构，而是通过改变晶格参数和局部对称性来优化其发光性能。

通过测量在980 nm激发下的发光强度，研究人员发现，随着钾离子浓度的增加，Er3?的上转换发光显著增强。特别是在Er3?的4S?/? → 4I??/?（538 nm）和4F?/? → 4I??/?（653 nm）跃迁中，激发态寿命分别从54.6 μs延长至308.6 μs，以及从208.7 μs延长至691.0 μs。这些结果表明，钾离子的引入不仅提高了发光强度，还通过降低声子能量和优化局部对称性，延长了激发态寿命，从而提升了上转换发光效率。

此外，研究人员还通过测量不同温度下的发光响应，评估了这些纳米颗粒作为光学温度计的潜力。结果显示，这些纳米颗粒在嵌入到CMC基质后，表现出高热灵敏度和优异的重复性。这意味着，即使在多次温度循环中，其发光特性也能保持稳定，从而为开发高精度、高灵敏度的光学温度计提供了理论依据。

在进一步的分析中，研究人员利用拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对纳米颗粒的表面性质进行了研究。这些技术揭示了纳米颗粒表面有机基团的存在，而这些基团可能会影响发光效率。通过调整钾离子的浓度，研究人员成功地减少了这些有机基团的干扰，从而提高了发光强度和热灵敏度。

研究还探讨了纳米颗粒在CMC基质中的分散情况。通过SEM图像可以看出，纳米颗粒在基质中分布均匀，且在不同的CMC浓度下表现出不同的流变行为。这表明，通过优化CMC的浓度，可以实现纳米颗粒在基质中的良好分散，从而进一步提升材料的发光性能和热传感能力。

通过一系列实验和分析，研究人员证明了钾离子的引入对稀土掺杂材料性能的优化具有重要意义。这些材料不仅具有优异的发光性能，还能在高温下保持稳定，从而为开发新型光学传感器和热监测系统提供了新的思路。未来，这些材料有望在生物医学、环境监测、工业过程控制和柔性电子器件等领域发挥重要作用。