Ho3+与Yb3+浓度分布对Ce3+微调核-多壳层高掺杂上转换纳米颗粒发光性能的调控机制研究

本研究针对Ce3+掺杂在Ho基上转换纳米颗粒（UCNPs）中的调控机制尚未明确的科学问题，通过设计核-多壳层高掺杂结构NaHoF4@NaHoF4@NaGdF4:Yb3+，系统探究了Ho3+/Yb3+浓度分布对Ce3+介导的上转换发光（UCL）的差异化影响。研究发现低Ho3+核芯与高Ho3+首壳层组合可增强Yb3+-Ho3+能量转移（ET），而Yb3+在第二/第三壳层的梯度分布能抑制表面淬灭（SQ）。最优结构实现1.23%量子产率（QY）和164.97μs红色UCL寿命，为多功能NaHoF4材料设计提供新思路。

　　

在稀土掺杂上转换纳米材料领域，如何实现高效发光调控始终是研究者面临的重大挑战。传统低掺杂体系虽能避免浓度淬灭，却难以满足生物成像、光疗等应用对发光强度的需求。NaHoF₄基纳米颗粒因其独特的磁光特性备受关注，但高浓度Ho³⁺掺杂引发的交叉弛豫（CR）和表面能量淬灭（SQ）严重制约其性能。更棘手的是，常用调控剂Ce³⁺的掺杂机制在核-多壳层高掺杂结构中尚未阐明，这就像试图用老地图探索新大陆——传统理论已无法指导新型材料设计。

针对这一瓶颈，辽宁某高校研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表创新成果。研究人员采用油酸辅助法合成系列Ce³⁺掺杂的核-多壳层UCNPs，通过X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）和元素映射表征结构，结合发射光谱、衰减曲线和泵浦功率测量分析发光特性。

结果与讨论
通过设计[x₁/y₁][x₂/y₂][z/y₃]浓度梯度结构，首次揭示：低Ho³⁺核芯（10%）+高Ho³⁺首壳层（S₁）可缩短Yb³⁺与激活态Ho³⁺距离，使能量转移（ET）效率提升37%，但会加剧表面淬灭。第二壳层（S₂）高Yb³⁺（60%）促进能量向内迁移，第三壳层（S₃）低Yb³⁺（20%）抑制SQ，该组合使红光寿命延长至164.97μs。

结论
研究证实多层Ce³⁺掺杂优于单层策略，最优结构NaHoF₄:10%Ce³⁺,40%Gd³⁺@NaHoF₄:10%Ce³⁺@NaGdF₄:10%Ce³⁺,60%Yb³⁺@NaGdF₄:20%Yb³⁺实现1.23%量子产率（QY）和0.43绿红比（G/R）。该工作不仅阐明Ho³⁺/Yb³⁺空间分布对Ce³⁺调控的差异化机制，更开创了通过壳层工程平衡ET、CR与SQ的新范式，为开发兼具高发光强度与可调谐性的诊疗一体化材料奠定基础。