基于Bi3+、Tb3+和Eu3+掺杂的Y4Al2O9纳米纤维实现发光和温度传感

摘要：在单一基质中实现可调多色发光，特别是全光谱白光发射，仍然面临着巨大的挑战，并引起了越来越多研究人员的关注。为了应对上述挑战，研究人员将注意力转向在单一基质中实现白光发射和多色发光的方法，即在单一基质上同时掺杂发射蓝光、绿光和红光的发光中心离子。通过改变三个发光

长春理工大学董相廷教授&张洪波教授：基于Bi3+、Tb3+和Eu3+掺杂的Y4Al2O9纳米纤维的可调多色发光、全光谱白光发射和光学温度传感

在单一基质中实现可调多色发光，特别是全光谱白光发射，仍然面临着巨大的挑战，并引起了越来越多研究人员的关注。为了应对上述挑战，研究人员将注意力转向在单一基质中实现白光发射和多色发光的方法，即在单一基质上同时掺杂发射蓝光、绿光和红光的发光中心离子。通过改变三个发光中心离子的比例，不仅可以实现全光谱白光发射，还可以实现可调的多色发光。因此，开发全光谱白光发射荧光粉和可调多色发光荧光粉具有重要意义。

Tunable multicolor luminescence, full-spectrum white-light emission and optical temperature sensing based on Bi3+, Tb3+ and Eu3+49 nanofibers”。研究者首次通过静电纺丝结合氧化煅烧过程成功合成了Y4:Bi3+、Bi3+/Eu3+、Tb3+、Tb3+/Eu3+和Bi3+/Tb3+/Eu3+纳米纤维。制备的样品可以实现发光和温度传感的双重功能。所制备的样品具有良好的纤维形貌(图1)。Y429:Bi3+纳米纤维是优异的蓝色荧光粉(图2)。为了最大限度地利用Bi3+蓝光区的发光强度，选择了Bi3+的最佳掺杂浓度(3%)进行后续研究。为了实现可调的多色发光，研究了Y429:Bi3+/Eu3+纳米纤维的发光性能(图3和图4)。通过多种方法证明Y4293+/Eu3+纳米纤维中Bi3+和Eu3+发生能量传递，并研究其能量传递机理。在298 nm紫外光激发下，随着掺杂Eu3+离子浓度的增加，Y429:3%Bi3+/y%Eu3+的发光颜色从蓝色变为紫色，最后变为红色。

图1：样品的SEM，TEM和HRTEM图像

图2：Y4Al293+纳米纤维的激发光谱(a)和发射光谱(b)；发光强度与Bi3+掺杂浓度之间的关系(c)；Y423+纳米纤维的CIE色度坐标图和发光实物照片(d)

图3：Y4Al29:3%Bi3+的发射光谱和Y429:3%Eu3+纳米纤维的激发光谱(a)；重叠部分的放大图像(b)；Y429:3%Bi3+/3%Eu3+纳米纤维的激发光谱(c)；Y429:3%Bi3+/y%Eu3+纳米纤维在298 nm紫外光激发下的发射光谱(d)；387 nm和609 nm峰的发光强度与Eu3+掺杂浓度之间的关系(e)；Y4293+/Eu3+纳米纤维的Bi3+→Eu3+能量传递效率曲线(f)

图4：Y429:3%Bi3+/y%Eu3+纳米纤维中Bi3+的Is0/Is与C6/3 (A), C8/3 (B)和C10/3 (C)的依赖关系(a)以及Y4293+/y%Eu3+纳米纤维的CIE色度坐标图和发光实物照片(b)；Y4293+/Eu3+纳米纤维的能级跃迁机理图(c)
49:Tb3+纳米纤维是优异的绿色荧光粉(图5)。为了最大限度地利用Tb3+绿光区的发光强度，选择了Tb3+的最佳掺杂浓度(7%)进行后续研究。为了实现可调的多色发光，研究了Y49:Tb3+/Eu3+纳米纤维的发光性能(图6和图7)。通过多种方法证明Y493+/Eu3+纳米纤维中Tb3+和Eu3+发生能量传递，并研究其能量传递机理。在252 nm紫外光激发下，随着掺杂Eu3+离子浓度的增加，Y423+/m%Eu3+的发光颜色从绿色变为黄色，直至红色。

图5：Y4Al293+纳米纤维的激发光谱(a)和发射光谱(b)；发光强度与Tb3+掺杂浓度之间的关系(c)；Y423+

429:7%Tb3+的发射光谱和Y429:3%Eu3+429:7%Bi3+/3%Eu3+纳米纤维的激发光谱(c)；Y429+/m%Eu3+纳米纤维在252 nm紫外光激发下的发射光谱(d)；543 nm和609 nm峰的发光强度与Eu3+掺杂浓度之间的关系(e)；Y4293+/Eu3+纳米纤维的Tb3+→Eu3+能量传递效率曲线(f)

4293+/m%Eu3+纳米纤维中Tb3+4293+/m%Eu3+4293+/Eu3+纳米纤维的能级跃迁机理图(c)

图8：Y4Al29:3%Bi3+/7%Tb3+/1%Eu3+纳米纤维的激发光谱(a)；Y429:3%Bi3+/7%Tb3+/n%Eu3+纳米纤维在298 nm紫外光激发下的发射光谱(b)；发光强度与Eu3+掺杂浓度之间的关系(c)；Y429:3%Bi3+/7%Tb3+/n%Eu3+纳米纤维的CIE色度坐标图和发光实物照片(d)；Y4293+/Tb3+/Eu3+纳米纤维能级跃迁机理图(e)；所有样品的CIE色度坐标图(f)根据上述结果，可以通过充分利用Bi3+或Tb3+与Eu3+之间的双能量传递效应，实现全光谱白光发射荧光粉。为了获得全光谱白光发射荧光粉，将Bi3+、Tb3+和Eu3++三掺杂到Y49基质中。结果发现通过调节Bi3+、Tb3+和Eu3+的掺杂比可以实现可调多色发光，特别是全光谱白光发射(图8)。并探索所制备样品的温度传感性能(图9)，表明Y429:3%Bi3+/7%Tb3+/1%Eu3+纳米纤维具有优异的灵敏度并在温度传感中具有潜在应用。

图9：Y4Al29:3%Bi3+/7%Tb3+/1%Eu3+纳米纤维的温度依赖性发射光谱(a)；Y429:3%Bi3+/7%Tb3+/1%Eu3+纳米纤维发射光谱对温度依赖性的二维(2D)映射(b)；不同温度下Y429:3%Bi3+/7%Tb3+/1%Eu3+纳米纤维的CIE色度坐标图和发光实物照片(c)；Y429:3%Bi3+/7%Tb3+/1%Eu3+纳米纤维中高能带和低能带的发光强度随温度的变化(d)；FIR的自然对数作为温度的函数(e)；Y429:3%Bi3+/7%Tb3+/1%Eu3+纳米纤维的Sa和Sy与温度的关系图(f)

制备的样品可以实现发光和温度传感的双重功能，在照明和显示、防伪、生物医学应用和光学温度传感等领域具有广泛的应用。长春理工大学在读博士生刘晓涵为该项研究成果的第一作者。

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人物简介：

董相廷，长春理工大学化学与环境工程学院，教授，博士，博士生导师。从事纳米材料与技术研究，主要研究方向为：电纺技术构筑光电磁多功能一维纳米结构材料与特性研究；电纺技术构筑稀土化合物一维纳米材料与发光性能研究；电纺、水热与溶剂热等及其结合技术构筑低维纳米材料与表征，并将所构筑的低维纳米材料应用于光催化分解有机污染物、光催化分解水制氢、电催化析氢和析氧、锂离子电池、锂硫电池、超级电容器和气体传感器中。以第1名获吉林省技术发明一等奖1项、技术发明二等奖1项、自然科学二等奖1项；以通讯作者在Adv. Funct. Mater., Small, Renew. Sust. Energ. Rev., Chem. Eng. J., ACS AMI, Compos. Sci. Technol., Sensor Actuat B: Chem, J. Mater. Chem. C, Nanoscale等国际重要期刊发表论文500余篇；获授权国家发明专利100余件；研究成果引起领域内同行的高度关注。

来源：大鱼小瑜等于