[00118682]利用光频转换技术实现近红外光激发宽禁带半导体的研究

本项目研究了用红外光激发宽禁带半导体的问题,首次实现了红外光激发下的宽禁带半导体光催化,为光频上转换技术在绿色能源、环保、医疗和军事等领域中的应用开拓了新的空间、提供了新的手段。将光催化波长推向长波波段的研究一直是光电子材料学、发光学、化学和环保领域的前沿和热点,几十年来各国科学家投入了大量的精力以寻求根本性的突破。围绕着如何利用低能光子激发宽禁带半导体这一重要科学问题,本项目从物理机制到荧光动力学过程、从多光子上转换发光到高能激发态的产生、从电子跃迁到能量传递、从简单材料到复合型功能材料制备,展开了多层次、多角度深入系统的研究,并获得了多项重要突破。 项目以“宽禁带半导体的低能光子激发”为科学目标,围绕“技术路线设计-复合结构材料合成-高阶多光子过程实现-宽禁带半导体激发-红外光催化”研究主线,在新的物理机制探索、新材料的设计中强调对客观规律的发现,强调自主创新与原始性突破,强调引领研究领域的新方向。主要创新点如下： （1） 提出并实现了红外光激发宽禁带半导体的物理思想。利用多光子光频上转换技术,将具有强紫外发射的光频上转换材料与宽禁带半导体复合在一起,实现了红外光激发宽禁带半导体和红外光光催化的物理思想;发现了红外光催化的主要物理机制为受激镧系离子向宽禁带半导体的能量传递。开启了红外光光催化的研究方向,率先将原有可催化波长由可见光谱区拓展到了红外光谱区。 （2） 提出了利用金纳米晶非共振场增强效应降低光频上转换激发阈值的物理思想;在实验上实现了低激发阈值（0.2 mW/cm2）的紫外上转换发光,比普通上转换材料的激发阈值降低了一个数量级,实现了上转换荧光高达100倍以上的增强。低阈值上转换材料的研制成功对于提高太阳能电池效率和促进上转换发光技术用于红外光催化、生物荧光检测和光动力学治疗有着重要的意义。 （3） 发现了极高阶多光子上转换发光现象,在国际上率先实现了6光子、7光子的上转换发光,有效地将980 nm的近红外光通过极高阶多光子上转换过程转换成了真空紫外光（VUV）。首次实现了近红外光激发下的Gd3+、Eu3+离子的上转换发光,发现了Eu3+离子5HJ、5GJ、5L6等“非常规能级”的辐射跃迁,为研究这些能级提供了可行的途径;率先实现了11个光子的极高阶多光子上转换发光,目前仍保持着最高光子阶数的世界纪录。 2008年3月1日至2013年10月31日,本项目共发表相关研究的SCI论文126篇（统计数据来自Web of Science）;10篇代表性论文被引用508次,其中SCI他人引用361次,单篇最高SCI他引58次;项目获得国家发明专利授权4项;相关研究工作多次被Nat. Photonics、Nat. Mater.、NanoToday、Chem. Rev.等国际权威科学期刊和国际著名学者引用和正面评价。