南理工傅佳骏/浙大邱建荣LPR：级联光子束缚介导三基色可转换NaErF4核正交上转换纳米结构及其逻辑化信息加密和多模发光防伪应用

创新点：基于级联激发光子捕获和界面能量传递遏制的协同作用，南理工傅佳骏团队与浙大邱建荣教授合作开发了一种三基色可转换NaErF4核正交上转换多层核壳纳米结构（RGB-UCNPs）。RGB-UCNPs在1550,808和980 nm近红外光激发下可产生不受功率密度影响的高色纯度R/G/B发光，并且当这三种近红外光同步激发RGB-UCNPs时其可实现宽色域的全彩发光输出。

关键词：Laser Photonics Reviews，三基色可转换，正交上转换发光，信息加密，发光防伪

分类：光子；表面与界面；纳米；上转换发光

正文：随着纳米技术与纳米光子学的迅猛发展，近些年各式各样的高质量镧系掺杂上转换发光纳米材料（UCNPs）不断涌现。正交上转换纳米粒子（OEUCNPs）是一种特殊的上转换发光材料，其特征为仅通过调节外部激发波长，不同镧系激活剂离子或同一镧系激活剂离子的不同上转换过程得以实现，不同波长（颜色）的上转换发光伴随产生。这意味着人们可根据目标应用的需要灵活、动态地调节正交多色UCNPs的发射波长（颜色），因而这类特殊的UCNPs引起众多学者的格外关注，并尝试将其应用于多个技术领域（包括信息存储、高级别防伪、光电器件、多色显示等）。目前报道的正交UCNPs绝大多数表现出双色可调的发射特性，即其在两种波长的激发光辐照下可产生两种不同颜色的发光。迄今为止，仍缺乏关于正交三色可调UCNPs的深入研究，而该种UCNPs无疑能在相关光学应用中发挥无与伦比的作用。因此，出于丰富上转换体系和拓展正交上转换概念应用的目的，构筑亮度强、色纯度高的正交三基色可调UNCPs具有重大研究意义。

图1 RGB-UCNPs的结构示意图、激发光能量传递过程及上转换机制

利用级联激发光子捕获和界面能量传递（IET）遏制的协同作用（图1），南理工傅佳骏团队与浙大邱建荣教授合作探索了一种三基色可转换NaErF4核正交上转换多层核壳纳米结构（RGB-UCNPs）。RGB-UCNPs的合成手段为化学共沉淀法结合层层外延生成策略。经过精准调控多个组成结构参数（包括掺杂剂种类、掺杂浓度、壳层厚度等）后，RGB-UCNPs在1550,808和980 nm近红外光激发下产生不受功率密度影响的高色纯度R/G/B发光。并且，通过调节1550，808和980 nm激发光的功率，RGB-UCNPs在这三种激发光的同时照射下可动态产生宽色域的全彩发光输出（包括红光、橙光、黄光、绿光、青色、蓝光、品红光和白光等）。值得一提的是，该上转换体系的构筑过程采用分级优化的策略，且整个构筑过程被完整介绍和说明，他们也通过稳态和时间分辨光谱测试深度剖析了纳米结构中三种镧系激活剂离子（Er3+、Ho3+和Tm3+）的R/G/B单色发光机理并详细阐明了体系构筑与优化过程中镧系发光属性（强度、色纯度）的变化规律。这些研究内容有助于洞悉正交多色可调UCNPs中对各光子上转换过程的操纵方式与原理。

图2 错误信息1-3和正确信息（由RGB-UCNPs印制成）组成的混杂信息的逻辑化加密-解密过程（①-1550 nm；②-808 nm；③-980 nm）

RGB-UCNPs的独特发光性质使得其自身非常适用于信息加密与光学防伪领域。为此，他们提出一种基于RGB-UCNPs的逻辑化信息加密策略和智能手机APP辅助的多模发光QR码防伪技术，其中逻辑化信息加密策略涵盖了三级安全措施：1）正确的激光照射组合（1550/808/980 nm）；2）有效的颜色响应（1550 nm-红色/808 nm-绿色/980 nm-蓝色）；3）准确的逻辑运算过程（连续AND运算），而多模发光QR码防伪技术涉及了三基色可转换发光材料（即RGB-UCNPs），解码辅助设备（即1550/808/980 nm激光）以及可用的读码设备（即安装有作者自主开发的RGB-AC Reader应用程序的普通智能手机）。通过概念验证实验，他们证实了这两种衍生技术的可行性和可操作性（图2，3）。总之，该项研究工作不仅开辟了一条在单一纳米结构中实现RGB可转换上转换发光及动态全色输出的新途径，而且为日后多色可调UCNPs应用场景的拓展提供了重要启示和借鉴。

图3 三色QR码在环境光i)、1550 nm ii）、800 nm iii）和980 nm iv）照射下的数码照片；APP辅助的三色QR码完整验证过程（包括三次连续的颜色验证及最终的解码）

该项研究工作发表于国际著名光学期刊Laser Photonics Reviews，南理工周帅博士、王阳博士、胡珀博士为论文的第一作者，浙大邱建荣教授和南理工傅佳骏教授为该论文的通讯作者。

论文信息：Cascaded Photon Confinement-Mediated Orthogonal RGB-Switchable NaErF4-Cored Upconversion Nanoarchitectures for Logicalized Information Encryption and Multimodal Luminescent Anti-Counterfeiting

Shuai Zhou, Yang Wang, Po Hu, Wei Zhong, Hong Jia, Jianrong Qiu, Jiajun Fu

Laser Photonics ReviewsDOI: 10.1002/lpor.202200531

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202200531