通过引入非活性的Y3+离子，增强了高对称性Er3+-掺杂SrF2颗粒的绿色发光性能

《Optical Materials》：Enhanced the green emission in high-symmetry Er3+-doped SrF 2 particles through introducing non-active Y3+ ions

通过化学沉淀法制备Er,Y:SrF?纳米颗粒，经600℃煅烧消除残留硝酸盐和羟基。XRD和FE-SEM确认立方萤石结构及200-300nm粒径。发射光谱显示Er3?的2H??/?→?I??/?（绿）和?F?/?→?I??/?（红）双峰。研究发现Y3?缓冲离子通过抑制交叉弛豫增强热耦合跃迁，绿/红强度比随Y3?含量增加显著提升，为高灵敏度非接触测温材料开发提供新途径。

　　在现代材料科学领域，稀土元素因其独特的光学和发光特性，成为研究的热点。特别是三价铒离子（Er3?）因其在上转换（up-conversion, UC）发光中的卓越表现，被广泛应用于多个前沿技术领域，如防伪、温度传感器、光动力治疗、生物成像以及彩色显示等。这些应用依赖于Er3?在可见光波段的优异发光性能。因此，科学家们致力于研究不同基质材料中Er3?掺杂的发光材料，以优化其性能并拓展其应用范围。

在众多基质材料中，氟化物因其较低的晶格振动能量（phonon energy）而受到特别关注。低晶格振动能量有助于减少非辐射跃迁，从而提高发光效率。其中，氧化锶氟化物（SrF?）因其出色的光学性能和较低的晶格振动能量，成为一种理想的基质材料，尤其适用于稀土离子的掺杂。近年来，许多研究工作围绕SrF?基质材料展开，通过引入不同活性离子，如镝（Dy）、镨（Pr）、钕（Nd）和铥（Tm）等，来调控其发光特性。这些研究不仅揭示了SrF?基质材料在上转换发光中的潜力，也为开发高性能发光材料提供了理论依据。

然而，在高浓度Er3?掺杂的SrF?基质材料中，发光效率的优化面临一定挑战。Er3?离子具有复杂的能量状态结构，这种结构可能导致多种跃迁路径和相似的能量间隔，从而促进相邻Er3?离子之间的交叉弛豫（cross-relaxation, CR）过程。CR过程会显著降低热耦合的²H_11/2/⁴S_3/2→⁴I_15/2跃迁效率，进而影响非接触式热传感技术的灵敏度。因此，如何有效抑制CR过程，增强Er3?离子的热耦合发光特性，成为当前研究的重要方向。

为了解决这一问题，研究人员提出通过引入适当的非活性缓冲离子（buffer ions）来调控Er3?离子的聚集行为。这些缓冲离子通常具有与稀土离子相似的化学性质和价电子结构，例如镧（La3?）、钇（Y3?）和钆（Gd3?）等。缓冲离子的引入可以有效打破Er3?离子的聚集，从而减少CR过程的发生。例如，已有研究表明，Y3?作为缓冲离子被引入到Dy:SrF?晶体中，可以显著增强其吸收和发光特性，使发光强度比未掺杂Y3?的Dy:SrF?晶体提高了约四倍。此外，La3?作为缓冲离子被引入到Pr:SrF?透明陶瓷中，能够生成新的掺杂对（Pr3?-La3?），并提升Pr3?的发光强度。这些实验结果表明，缓冲离子在调控稀土离子聚集和优化发光特性方面具有重要作用。

基于上述研究背景，本研究聚焦于通过引入Y3?缓冲离子来调控Er:SrF?粒子的发光特性。采用化学沉淀法合成Er3?和Y3?共掺杂的SrF?粒子，并在600°C下进行煅烧处理，以去除残留的硝酸盐和羟基（-OH）。煅烧处理后，粒子表面的残留杂质被有效消除，从而改善其发光性能。通过X射线衍射（XRD）和场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）对合成的粒子进行表征，结果表明，煅烧后的粒子具有单相立方氟化物结构，且粒径范围在200-300 nm之间。

进一步研究发现，Er:SrF?粒子在488 nm和980 nm激发下表现出两种明显的发光带。这些发光带分别归因于Er3?离子的²H_11/2/⁴S_3/2→⁴I_15/2跃迁和⁴F_9/2→⁴I_15/2跃迁。其中，前者属于绿色发光，后者属于红色发光。通过研究Y3?缓冲离子掺杂含量对绿色与红色发光强度比（R(g/r)）以及发光衰减曲线的影响，进一步揭示了Er:SrF?粒子的发光机制。

实验结果表明，在高对称性的SrF?晶体结构中，Er3?离子容易形成复杂的聚集结构，这会加剧CR过程的发生。CR过程不仅会降低热耦合的²H_11/2/⁴S_3/2→⁴I_15/2跃迁效率，还会对非接触式热传感技术的性能产生负面影响。因此，在实际应用中，通常需要控制Er3?的掺杂浓度，以防止CR过程的发生，从而保持较高的发光效率。然而，这种方法可能会降低材料对激发光源的吸收能力，影响其整体性能。

本研究通过引入Y3?作为缓冲离子，成功抑制了Er3?离子的聚集行为，从而有效减少了CR过程的发生。实验数据显示，Y3?缓冲离子的引入不仅提高了Er:SrF?粒子的发光强度，还优化了其发光特性。特别是在488 nm和980 nm激发下，绿色发光的强度显著增强，而红色发光的强度则相对减弱。这种现象表明，Y3?缓冲离子能够有效地调控Er3?离子的跃迁路径，从而改善其发光性能。

此外，通过研究不同Y3?掺杂含量对Er:SrF?粒子发光行为的影响，发现随着Y3?含量的增加，绿色与红色发光强度比（R(g/r)）逐渐变化。这一变化趋势有助于理解Er:SrF?粒子的发光机制，并为优化其发光特性提供理论依据。同时，通过分析发光衰减曲线，进一步揭示了Y3?缓冲离子在调控Er3?离子能量转移过程中的作用。

本研究的实验方法采用化学沉淀法合成Er3?和Y3?共掺杂的SrF?粒子。在合成过程中，使用了商用硝酸盐（如Sr(NO?)?、Er(NO?)?·5H?O和Y(NO?)?·5H?O）以及水合氟化钾（KF·2H?O）作为反应试剂。所有试剂均未经过额外纯化，仅使用实验室制备的去离子水。通过精确控制试剂的配比，确保了合成过程的稳定性和可重复性。合成后的粒子经过多次洗涤和干燥处理，以去除残留的杂质。随后，在600°C下进行煅烧处理，以进一步优化其结构和性能。

煅烧处理后的粒子表现出单相立方氟化物结构，且粒径均匀，范围在200-300 nm之间。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析，确认了煅烧后粒子表面的残留杂质已被有效去除。这一结果表明，煅烧处理不仅能够提高粒子的纯度，还能改善其发光性能。通过XRD和FE-SEM对粒子进行表征，进一步验证了其晶体结构和形貌特征，为后续研究提供了坚实的基础。

在发光特性方面，研究发现Er:SrF?粒子在488 nm和980 nm激发下表现出两种明显的发光带。其中，绿色发光主要来源于²H_11/2/⁴S_3/2→⁴I_15/2跃迁，而红色发光则来源于⁴F_9/2→⁴I_15/2跃迁。通过调控Y3?缓冲离子的掺杂含量，可以有效改变这两种跃迁的相对强度，从而优化粒子的发光特性。实验数据显示，随着Y3?含量的增加，绿色发光的强度显著增强，而红色发光的强度则相对减弱，这表明Y3?缓冲离子能够有效地抑制CR过程，提高热耦合的²H_11/2/⁴S_3/2→⁴I_15/2跃迁效率。

此外，研究还发现Y3?缓冲离子的引入对Er:SrF?粒子的发光衰减曲线产生显著影响。在高Y3?掺杂含量下，粒子的发光衰减速度明显减缓，这表明Y3?缓冲离子能够有效延长发光寿命，提高发光效率。通过对比不同Y3?掺杂含量下的发光衰减曲线，进一步揭示了Y3?缓冲离子在调控Er3?离子能量转移过程中的作用。

综上所述，本研究通过引入Y3?缓冲离子，成功优化了Er:SrF?粒子的发光特性。实验结果表明，Y3?缓冲离子能够有效抑制Er3?离子的聚集行为，减少CR过程的发生，从而提高绿色发光的强度，降低红色发光的强度。这一现象不仅有助于理解Er:SrF?粒子的发光机制，还为开发高性能发光材料提供了新的思路。此外，Y3?缓冲离子的引入对粒子的发光衰减曲线产生显著影响，延长了发光寿命，提高了发光效率。这些研究结果表明，缓冲离子在调控稀土离子聚集和优化发光特性方面具有重要作用。

在实际应用中，Er:SrF?粒子因其在可见光波段的优异发光性能，被广泛应用于非接触式热传感技术。然而，高浓度Er3?掺杂的粒子往往表现出较低的热耦合发光效率，这限制了其在高灵敏度热传感技术中的应用。因此，如何有效调控Er3?离子的聚集行为，优化其发光特性，成为当前研究的重要课题。本研究通过引入Y3?缓冲离子，成功实现了这一目标，为开发高性能发光材料提供了新的研究方向。

未来的研究可以进一步探索不同缓冲离子对Er:SrF?粒子发光特性的影响，以寻找最优的缓冲离子组合。此外，还可以研究不同激发光源对Er:SrF?粒子发光特性的影响，以优化其在不同应用场景中的性能。同时，还可以探索不同基质材料对Er3?离子发光特性的影响，以开发更广泛的发光材料体系。这些研究不仅有助于深化对Er:SrF?粒子发光机制的理解，还能推动其在多个前沿技术领域的应用。

总之，本研究通过引入Y3?缓冲离子，成功优化了Er:SrF?粒子的发光特性。实验结果表明，Y3?缓冲离子能够有效抑制Er3?离子的聚集行为，减少CR过程的发生，从而提高绿色发光的强度，降低红色发光的强度。这一现象不仅有助于理解Er:SrF?粒子的发光机制，还为开发高性能发光材料提供了新的思路。未来的研究可以进一步探索不同缓冲离子、激发光源和基质材料对Er:SrF?粒子发光特性的影响，以拓展其应用范围并提高其性能。