上轉換發光新突破 能量轉換效率大大提升
在納米材料領域裡，當「上轉換發光」材料受到低能量的光激發，便能發出高能量的光（如紫外光），但缺點是發光的強度不足，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，近日便突破了這局限，成功研發出方法，成功令上轉換發光材料只需受極低功率的光所激發，也能發出高能量、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。
傳統的螢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）則剛剛相反，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後，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，通過多光子過程，能夠將低能量、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，儘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，這又遇到了另一個問題：表面上看起來發光離子摻雜越多，發光會越強，但實情並非如此。通常提高發光離子的摻雜濃度會導致「濃度淬滅」（concentration quenching），意思就是摻雜的離子越多，損失為熱能的能量則越多，發光的強度因而更少。
為了攻克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，便成功研究了新方法去應對。
他們先製成核-殼納米結構（core-shell nanostructured）的納米粒子，使得即使摻雜了高濃度的發光離子，也不會導致显著的濃度淬滅，然後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，成功僅以極低激發功率（20 µW）下，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，反斯托克斯位移超過1150nm。
這項研究成果早前於《自然通訊》上，以 “Integrating temporal and spatial control of electronic transitions for bright multiphoton upconversion”為題發表。
團隊在實驗裡，選用近年來被科學家發現為最理想、被公認為迄今能夠產生最亮發光的上轉換基質材料NaYF4，然後摻雜發光離子铒（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%，那麼Er/(Er+Y)這個比例就是X%。他們按著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淬滅機制。他們發現，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。然後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。
王鋒博士說︰「這種帶有核-殼結構的納米粒子，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，因為目前電訊行業技術已趨成熟，廉價和高效的鐳射和光器件十分普遍，他們相信是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，现化学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。
相關故事：
捷報！香港城大4學者獲研資局兩項研究學者計劃撥款港幣2,300萬