在納米材料領域里，當「上轉換發光」材料受到低能量的光激發，便能發出譬如紫外光等具有高能量的光，但缺點是發光強度不足，因而限制了這種材料的應用。由香港城市大學（城大）跨學系聯合帶領的一支研究團隊于近日突破局限，成功研發出新方法，讓上轉換發光材料只需受極低功率的光激發，便能發出高能量、高強度的光。團隊相信，研究成果有助微型光電儀器的研發與應用。

在納米材料領域里，當「上轉換發光」材料受到低能量的光激發，便能發出譬如紫外光等具有高能量的光，但缺點是發光強度不足，因而限制了這種材料的應用。由香港城市大學（城大）跨學系聯合帶領的一支研究團隊于近日突破局限，成功研發出新方法，讓上轉換發光材料只需受極低功率的光激發，便能發出高能量、高強度的光。團隊相信，研究成果有助微型光電儀器的研發與應用。

傳統辦法難解轉化效率低問題

傳統的熒光材料可以把短波長、高能量如紫外光的激發光子，轉換成低能量、長波長的可見或者近紅外發射光子。而「光子上轉換」（photon upconversion）則剛好相反，是指上轉換發光材料吸收波長較長、低能量的兩個或多個光子后，發射出波長較短、能量較高的光的過程，是反斯托克斯（anti-Stokes）型的發光。這種類型的發光例子之一，便是將近紅外光轉化為可見光。

目前，摻雜了稀土的上轉換發光納米材料，能夠通過多光子過程將低能量、長波長的近紅外光子，轉換為可見或者紫外的短波長、高能量的光子。然而，盡管人們做了大量的工作，上轉換材料的發光效率依然偏低，阻礙了上轉換粒子的進一步應用。

 其中一個應對方法是在上轉換基質材料中摻雜更多的發光離子，提升其摻雜濃度（dopant concentration）。但是，這又產生了另一個問題：表面上看起來發光離子摻雜越多，發光會越強，但提高發光離子的摻雜濃度則會導致「濃度猝滅」（concentration quenching），即是說，摻雜的離子越多，損失為熱能的能量則越多，發光的強度因而更少。

城大團隊研發新妙招

針對如何提高上轉換發光強度、同時盡可能減少濃度淬滅的情況，由城大材料科學及工程學系副教授王鋒博士與物理學系副教授朱世德博士聯合帶領的一支研究團隊，便成功研究了新的應對方法。

他們先制成有核-殼納米結構（core-shell nanostructured）的納米粒子，這樣即使在上轉換材料摻雜了高濃度的發光離子，也不會導致顯著的濃度淬滅，然后再利用微環諧振器來提高上轉換納米材料的激發功率，使得能量轉換效率超過5%。團隊並更進一步，成功以僅20 μW的極低激發功率，實現了上轉換發光，利用低能量、長波長（1550nm）的光子，激發出高能量、低波長（380nm）的紫外光光子來光刻各種圖案，其反斯托克斯位移超過1150nm。

這項研究成果先前以“Integrating temporal and spatial control of electronic transitions for bright multiphoton upconversion”為題，發表于《自然通訊》上。

在實驗里，團隊選用近年來科學家發現的最理想、被公認為迄今能夠產生最亮發光的上轉換基質材料NaYF₄，然后摻雜發光離子鉺（Er）離子，所得出的納米顆粒的核層組成成分是NaYF₄:X%Er。其中X%就是Er離子的摻雜濃度，而Y即釔，和Er都是稀土元素，稀土元素總和是100%，那么Er/(Er+Y)這個比例就是X%。他們按照X%由2%至100%的不同摻雜濃度，逐一分析了Er離子每個能級的濃度猝滅機制。

最終團隊成員們發現，利用有核-殼結構的納米粒子作為材料，納米粒子的外殼能有效地減低能量轉化成熱能的流失，從而大大減低濃度淬滅效應。然后他們再利用微環諧振器，成功提高了材料的激發效率，增加了上轉換發光強度，特別是紫外部分的光強。

創新方式帶來發展可能

王鋒博士說︰“這種具有核-殼結構的納米粒子能夠成功提升上轉換發光的強度，將有助開發上轉換發光粒子在不同光子學上的應用。”

朱世德博士補充道，因為目前電訊行業技術日益成熟，廉價和高效的鐳射和光器件十分普遍，他們相信這次研究成果將有助推動新穎微型光電器件的研發。

王博士和朱博士是文章通訊作者。第一作者是城大材料科學及工程學系前博士生，現化學系副研究員孫天瀛博士和物理學系博士生李玉花，其他成員包括城大博士生何韋樂、朱綺和陳獻，以及來自哈爾濱工業大學（深圳）、廈門稀土材料研究所、香港理工大學、長春應用化學研究所和西安光學精密機械研究所的研究人員。

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