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稀土荧光及上转换发光纳米粒子的制备、表征及表面功能化
摘要
本文综述了稀土荧光及上转换发光纳米粒子的制备、表征和表面功能化方面的研究进展。首先介绍了稀土元素的特殊性质，以及稀土发光与上转换发光的原理。接着详细讨论了稀土荧光及上转换发光纳米粒子的制备方法，包括溶液相法、固相法、气相法等三种主要方法，以及它们的优点和局限性。然后，介绍了表征方法，包括光学、形貌、结构等多个方面的表征方法，讨论了表征方法的优缺点。最后，重点介绍了表面功能化的方法，包括有机修饰、无机修饰等两种主要方法，并详细介绍了它们的机理和应用。
关键词：稀土荧光；上转换发光；纳米粒子；表面功能化；制备；表征
1.引言
稀土元素由于其特殊的能级结构和电子结构，具有很多特殊的性质，如发光性质、磁性质、导电性质等等。其中，稀土元素的荧光和上转换发光特别引人关注。稀土荧光在生命科学、光电器件、信息存储等领域有广泛应用，而上转换发光则具有更广泛的应用前景，可以用于生物成像、深度信息存储、三维显示等领域。纳米粒子具有很好的光催化和导电性能，可以用于催化剂、电子器件和感光器件等领域。纳米粒子的表面功能化可以调控粒子的化学活性和表面性质，使其在实际应用中具有更强的适应性和稳定性。因此，稀土荧光及上转换发光纳米粒子的制备、表征和表面功能化是当前研究的热点之一。
2.稀土荧光及上转换发光纳米粒子的制备
稀土荧光及上转换发光纳米粒子制备方法主要包括溶液相法、固相法和气相法等。其中，溶液相法是目前应用最广的一种方法，具有制备简单，反应条件温和，纯度高等优点。固相法主要适用于高温下的制备，对于控制粒子的晶体结构和尺寸较为有效。气相法的主要优点是可以制备高纯度和高质量的纳米材料，但同时也存在制备难度大、生产成本高等问题。
2.1溶液相法制备稀土荧光及上转换发光纳米粒子
溶液相法是制备稀土荧光及上转换发光纳米粒子的一种主要方法，具体方法包括化学还原、水解法、热分解法和共沉淀法等。其中，化学还原法是最为简单和常用的方法之一。以Yb3+/Er3+为例，该方法的具体步骤为：首先，将YCl3、ErCl3和YbCl3混合在水溶液中形成配合物。然后，用浓氨水调节pH至9.5，加入还原剂NaBH4，沉淀后用乙醇和去离子水洗涤，最后在空气中干燥得到Er3+/Yb3+掺杂的氧化物粉末[1]。
2.2固相法制备稀土荧光及上转换发光纳米粒子
固相法制备稀土荧光及上转换发光纳米粒子方法通常是通过高温处理稀土化合物进行制备。例如以Yb3+/Er3+为例，该方法的具体步骤为：首先将YbCl3和ErCl3混合形成混合物。然后将混合物与Na2CO3或NaF混合，形成复合粉末，并在氩气中热处理。最后用乙醇和去离子水洗涤，并在空气中干燥得到Er3+/Yb3+掺杂的氧化物粉末[2]。
2.3气相法制备稀土荧光及上转换发光纳米粒子
气相法是一种高度控制纳米粒子尺寸和形貌的制备方法，主要通过改变反应气体的温度、压力和流量等控制反应过程。该方法的还原性和高温条件也有助于稳定稀土元素的价态。例如以Yb3+/Er3+为例，该方法的具体步骤为：首先，在氩气中混合YbCl3和ErCl3前体，并加热至高温，使前体产生热分解。然后着重控制发生的反应过程，以防止粒子尺寸和形态有太大变化。最后剩余物质可以由乙醇或水洗净，并在空气中干燥得到Er3+/Yb3+掺杂的氧化物粉末[3]。
3.稀土荧光及上转换发光纳米粒子的表征
3.1光学表征
稀土荧光和上转换发光涉及到激发态和发射态，因此光学表征是非常重要的。主要包括吸收光谱、荧光光谱和激发光谱等。吸收光谱可以用来表征纳米粒子的形成过程和能带结构，荧光光谱可以表征纳米粒子的荧光强度和光谱峰位等，激发光谱通常用来确定激发光源的波长和激发能量等。
3.2形貌表征
稀土荧光及上转换发光纳米粒子的形貌对其荧光性能具有显著的影响。形貌表征方法主要有透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）等，这些方法能够直接观察纳米颗粒的形貌、尺寸和大小分布等。
3.3结构表征
稀土荧光及上转换发光纳米粒子的结构特性对其发光性能产生重要影响。X射线衍射（XRD）、N2吸附-脱附等表征方法可以分析纳米晶体的晶体结构和比表面积等。
4.稀土荧光及上转换发光纳米粒子的表面功能化
纳米粒子的表面功能化可以通过有机修饰和无机修饰等方法实现。这些方法可以调整表面电荷、改善分散度，甚至实现功能上的改性，从而满足实际应用的要求。
4.1有机修饰
稀土荧光及上转换发光纳米粒子的有机修饰通常采用硅烷偶联剂、碳链偶联剂等方法。硅烷偶联剂通常具有单一氨基、乙醇基和硅烷基等官能团，可以调节硅烷和纳米颗粒之间的相互作用力，在纳米颗粒表面形成完整的覆盖层，提高纳米粒子的分散度和稳定性。碳链偶联剂通常具有不同长度的碳链，可以在纳米颗粒