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稀土離子的紫外上轉換發光在紫外殺菌、癌癥治療、光化學反應和空間科學等前沿領域具有廣闊的應用前景。通常，稀土紫外上轉換發光是在980 nm近紅外激光激發下，通過Yb³⁺到Tm³⁺的四光子或五光子能量傳遞上轉換過程實現。與Tm³⁺相比，Er³⁺可以通過Yb³⁺到Er³⁺的三光子能量傳遞過程獲得紫外上轉換發光（⁴G_11/2 → ⁴I_15/2: ~380 nm），因此具有更高的理論發光效率。然而，由于Er³⁺的能級稠密，容易發生交叉弛豫，而且還存在Er³⁺到Yb³⁺的能量反傳遞和Yb³⁺的能量遷移過程，從而引起無輻射弛豫能量損失，因此，Er³⁺通常很難在⁴G_11/2能級獲得有效的電子布居來實現高效紫外上轉換發光。

圖1 Yb³⁺/Er³⁺共摻零維Rb₃InCl₆反常強紫外上轉換發光：晶體結構示意圖與上轉換發射光譜。

近日，中國科學院福建物質結構研究所/閩都創新實驗室陳學元團隊鄭偉和黃萍研究員在Yb³⁺/Er³⁺共摻零維Rb₃InCl₆中首次觀測到Er³⁺在384 nm的反常強紫外上轉換發光（圖1）。由于Rb₃InCl₆: Yb³⁺/Er³⁺稀土離子的間距大（>7.14 ?），Yb³⁺的長程能量遷移受到了抑制，使得激發光能量被限制在[YbCl₆]^3?和[ErCl₆]^3?八面體短程范圍。這種Yb³⁺/Er³⁺的限域能量傳遞與Rb₃InCl₆的低聲子能量（<282 cm^?1）有利于Er³⁺的⁴G_11/2能級電子布居，從而產生Er³⁺在384 nm（⁴G_11/2 → ⁴I_15/2）的反常強紫外上轉換發光。在60 W cm^?2的980 nm激光激發下，其紫外/綠光上轉換發射強度比值（0.864）顯著高于NaYF₄: Yb³⁺/Er³⁺（<0.1）等經典上轉換材料，紫外上轉換發光量子產率（0.12%）也明顯優于NaYF₄: Yb³⁺/Er³⁺（0.04%）。團隊還結合理論計算，利用受限能量遷移模型對比分析了Rb₃InCl₆與NaYF₄摻雜體系中Yb³⁺的能量遷移速率，通過擬合不同Yb³⁺摻雜濃度的熒光衰減曲線，發現Rb₃InCl₆: Yb³⁺中Yb³⁺的能量遷移速率比NaYF₄: Yb³⁺慢一個數量級（圖2），進一步確認了Rb₃InCl₆: Yb³⁺/Er³⁺獨特的零維結構與較大的離子間距導致的Yb³⁺/Er³⁺限域能量傳遞過程。

圖2 Rb₃InCl₆: Yb³⁺/Er³⁺中Yb³⁺/Er³⁺限域能量傳遞：（a）Rb₃InCl₆和NaYF₄的晶體結構；（b）限域能量傳遞與長程能量遷移示意圖；（c）受限能量遷移模型擬合熒光衰減曲線；（d）Rb₃InCl₆: x%Yb³⁺與（e）NaYF₄: x%Yb³⁺中Yb³⁺的熒光衰減曲線及（f）能量遷移速率。

進一步地，團隊利用Rb₃InCl₆: Yb³⁺/Er³⁺納米晶的強紫外上轉換發光，將其應用于近紅外光控CsPbX₃（X = Cl,Br,I）鈣鈦礦納米晶的離子交換。在980 nm激發下，Rb₃InCl₆: Yb³⁺/Er³⁺的強紫外上轉換發光可被CsPbX₃吸收，從而促進鈣鈦礦納米晶到二溴甲烷和碘代丙烷等鹵代烷烴的電子轉移，使得鹵代烷烴的碳-鹵鍵斷裂釋放鹵素離子，并與CsPbX₃納米晶發生離子交換反應。利用980 nm近紅外激光的遠程操控，不僅可以避免長時間紫外光照對鈣鈦礦納米晶造成光損傷，還可以通過調節激光的開啟/關閉、輻照時間和激光功率實現對交換過程的遠程控制，獲得在不同波段（408?696 nm）高效發光（PLQY：52.3?98.1%）的混合鹵素CsPbX₃納米晶（圖3）。

圖3 Rb₃InCl₆: Yb³⁺/Er³⁺用于CsPbX₃鈣鈦礦納米晶的近紅外光控離子交換：（a）離子交換示意圖；（b）離子交換后CsPbX₃納米晶的發射光譜、發光照片及（c）熒光衰減曲線；（d,e）離子交換混合溶液在980 nm激光輻照不同時間后對應的發射峰位置；（f,g）離子交換混合溶液在980 nm激光和365 nm紫外燈輻照后的發光量子產率對比。

該工作提供了一種通過限域能量傳遞和晶格調制實現Er³⁺反常強紫外上轉換發光的新策略，也為稀土上轉換新材料的設計合成及其在近紅外光控化學反應等領域的應用開發提供了新途徑。相關結果于2025年7月22日在線發表于《自然·通訊》雜志（Nat. Commun.2025,16,6762. DOI: 10.1038/s41467-025-58901-4）。論文的第一作者是中國科學院福建物構所博士生張文，通訊作者為中國科學院福建物構所鄭偉、黃萍和陳學元研究員。該工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金和福建省杰出青年基金等項目支持。

此前，陳學元團隊在稀土及新型金屬鹵化物發光材料的設計合成和激發態動力學研究方面取得了系列重要進展。例如，提出一種光控合成新方法實現稀土上轉換納米晶/鈣鈦礦量子點復合結構的原位限域合成（Nano Today2021,39,101179）；通過消除納米晶內部OH^?缺陷并利用Tm³⁺的異價摻雜實現KMgF₃: Tm³⁺納米晶的27階光子雪崩上轉換發光（Nano Lett.2023,23,8576-8584）；首次觀測到Nd³⁺納秒級的室溫上轉換超熒光（Nat. Commun.2024,15,9880），入選2024年度“中國稀土十大科技新聞”。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58901-4