Er3+,Yb3+共掺杂La2Zr2O7与Y2Zr2O7荧光粉的可见-红外上转换发光对比研究及其在光学测温与潜指纹检测中的应用

本研究针对稀土掺杂荧光材料在光学测温与生物检测领域的关键问题，通过燃烧法(CMB)和微波水热法(MHT)制备了Er3+,Yb3+共掺杂的La2Zr2O7(LZO)和Y2Zr2O7(YZO)荧光粉。研究发现LZO-MHT样品在980 nm激发下展现优异绿光上转换(54×10-4 K-1测温灵敏度)和潜指纹成像能力，YZO-CMB样品则在1550 nm激发实现高效红光发射。该工作为多功能光学材料设计提供了新思路。

　　

在光学传感与生物检测领域，稀土掺杂材料因其独特的光学特性备受关注。然而，传统上转换材料存在激发波长单一、测温灵敏度受限等问题，且不同晶体结构对发光性能的影响机制尚不明确。针对这些挑战，研究人员开展了一项创新性研究，通过系统比较两种典型基质材料的发光特性，为多功能光学材料的开发提供了重要参考。

该研究团队采用燃烧法(CMB)和微波水热法(MHT)两种合成路线，制备了Er³⁺单掺和Er³⁺/Yb³⁺共掺杂的La₂Zr₂O₇(LZO，有序烧绿石结构)与Y₂Zr₂O₇(YZO，无序萤石结构)荧光粉。通过X射线衍射(XRD)、漫反射光谱(DRS)、光致发光(PL)和上转换发光(UCPL)等技术手段，系统表征了材料的结构与光学特性，并评估了其在光学测温和潜指纹检测中的应用潜力。

在结构表征部分，XRD分析证实LZO形成有序烧绿石相(Fd-3m)，而YZO为无序萤石相(Fm-3m)。Williamson-Hall分析显示LZO的晶粒尺寸(74-77 nm)显著大于YZO(39-40 nm)，这与La³⁺较大离子半径导致的晶格膨胀有关。光学性能研究发现，在378 nm紫外激发下，所有样品均呈现545 nm(⁴S_3/2→⁴I_15/2)绿光和1530 nm(⁴I_13/2→⁴I_15/2)近红外发射，其中LZE-M和YZE-C样品表现出最佳发光强度。

上转换发光研究揭示了基质结构的决定性影响：在980 nm激发下，LZEY-M样品展现强绿光发射(双光子过程)，而YZEY-C样品则倾向红光发射，这归因于无序结构中更强的交叉弛豫过程。当采用1550 nm"人眼安全"波长激发时，所有样品均呈现显著增强的红光发射(三光子过程)，这为生物成像提供了更优选择。

在光学测温应用方面，研究创新性地对比了热耦合能级(TCL)和非热耦合能级(NTCL)两种荧光强度比(FIR)技术的性能。LZEY-M样品在980 nm激发下基于NTCL的绝对灵敏度达2500×10^-4 K^-1，远超传统TCL方法(54×10^-4 K^-1)。特别值得注意的是，在1550 nm激发下，该样品的NTCL灵敏度进一步提升至11800×10^-4 K^-1，展现了宽温区高灵敏度测温的独特优势。

潜指纹检测实验证实，LZEY-M样品在980 nm激发下可清晰显现硅片、铝箔和玻璃等多种基底上的指纹纹路，图像对比度高达99%。三级指纹特征(包括脊线分叉、端点等)均可辨识，这得益于材料与汗液成分的物理吸附作用及强绿光发射特性。

这项发表于《Optical Materials》的研究具有多重重要意义：首先，明确了有序/无序晶体结构对稀土离子能量传递路径的调控机制，为发光材料设计提供了结构-性能关系的新认知；其次，开发出基于1550 nm激发的光学测温新体系，突破了传统980 nm激发的局限性；最后，证实了LZO:Er,Yb材料在潜指纹检测中的实用价值，为法医学检测提供了新型试剂。该工作通过系统的对比研究，为多功能稀土发光材料的开发奠定了重要基础。