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本论文主要研究了稀土掺杂光谱转换材料的制备、表征及其应用,研究的光谱转换材料主要分为大两部分：第一部分是上转换材料的研究,在第2章和第3章进行了论述；第二部分是下转换材料的研究,主要是在第4中进行了阐述和讨论。论文的第1章给出了本文论文内容的一些背景知识介绍,着重讨论了发光的基本原理及稀土离子的发光性质,并介绍了光谱转换的基本原理。第2章和第3章介绍了稀土上转换发光材料NaYF4:Yb3+,Tm3+(Er3+纳米粒子的制备、表征及生物荧光探针。第4章讨论了下转换发光材料NaYF4:Tb3+,Yb3+和YVO4:Bi3+(Tm3+),Yb3+的制备、表征及发光性质。主要内容和研究结果如下：1.利用油酸/十八烯作溶剂的湿化学法合成了17-19nm NaYF4:Yb3+,Tm3+(Er3+)核纳米粒子和22-25nm NaYF4:Yb3+,Tm3+(Er3+)/NaYF4核/壳纳米粒子。通过EDS得知合成的纳米材料中各元素的含量与初始预期的含量基本相符。合成的纳米粒子具有亲油性是因其表面包覆了一定量的油酸配位体,通过热重分析得到确认。在980nm激光激发下,与NaYF4:Yb3+,Tm3+(Er3+)核纳米粒子的上转换发光相比,NaYF4:Yb3+,Tm3+(Er3+)/NaYF4核/壳纳米粒子的上转换发光增强了几十倍,这是因为核/壳结构中的壳层保护了核内的发光中心远离粒子表面的缺陷、表面的配位体和溶剂,因此减少了发光猝灭,提高了上转换发光的量子效率。2.通过分子BHMT和高分子PMAO形成的交联高分子对亲油性的NaYF4:Yb3+,Tm3+(Er3+)/NaYF4核/壳纳米粒子进行了包裹,实现了核/壳纳米粒子的亲水相转化。分子BHMT和高分子PMAO在纳米粒子表面的交联反应过程是通过傅里叶变换红外吸收谱得到体现,交联反应过程中自由氨基功能团中N-H的振动吸收峰的消失和酰胺基功能团的吸收峰的出现,说明我们成功的合成了交联高分子包裹的纳米粒子；核磁共振谱和热重分析的结果也证实了纳米粒子表面交联反应的发生。交联高分子包裹的核/壳纳米粒子在各种缓冲液(PBS, TBS,SBB)、不同pH值溶液和血清(用于细胞培养基)中表现了极强的稳定性,交联结构的稳定性使得交联高分子不易从包裹的纳米粒子表面脱离。最后为了表明交联高分子包裹的亲水性纳米粒子的生物应用性,我们用交联高分子包裹的核/壳纳米粒子培育了人类前列腺癌细胞(LNCaP),并在980nm激光激发下,利用荧光显微镜获得了有黄绿光发射的细胞成像。3.采用水热法制备了NaYF4:Tb3+,Yb3+粉末发光材料。各种表征手段表明我们成功的合成了纯六方相的NaYF4:Tb3+,Yb3+晶体发光材料,其颗粒大小约为1-6μm。样品的拉曼谱中有位于298.9cm-1的强拉曼峰,证实了NaYF4材料具有较低声子能量。在355nm脉冲激光激发下,NaYF4基质中单掺Tb3+离子时,检测到了Tb3+的可见波段特征发射光,但没有观测到近红外发光。而双掺Tb3+和Yb3+离子即观测到了Tb3+的可见发光也观测到了Yb3+的近红外发光,说明Tb3+离子和Yb3+离子之间存在能量传递,其可能的能量传递方式是一个合作能量传递过程。4.采用高温固相法合成了正方晶系的下转换发光材料YVO4:Bi3+,Yb3+,拉曼谱分析表明YVO4材料中最大的声子能量是892.1cm-1。(?)VO4中低浓度掺杂Bi3+和Yb3+离子时,拉曼峰和红外吸收峰基本都没有移动。在常温下,样品的可见和红外激发谱由两个宽峰构成,其中250nm到300nm之间强的激发宽峰对应于O2--V5+电荷迁移态吸收,而处于300nm到375nm之间弱的激发宽峰来自于Bi3+-V5+的电荷迁移态吸收,这表明样品中存在电荷迁移态到Yb3+的能量传递。而通过测量近红外发射寿命估算得到了Yb3+浓度猝灭效率,发现在较高Yb3+离子掺杂浓度时,有严重的浓度猝灭效应。通过对YVO4:Bi3+,Yb3+样品变温光谱的测量,推测其近红外下转换发光现象的可能能量传递机理为：在室温下,通过声子协助能量传递将能量从电荷迁移态传递给Yb3+离子；而在低温下,主要通过合作能量传递将能量从电荷迁移态传递给Yb3+离子。5.采用高温固相法合成了正方晶系的的下转换发光材料YVO4:Tm3+,Yb3+,观测到了和YVO4:Bi3+,Yb3+发光材料基本相同的x射线衍射峰、拉曼峰和红外吸收峰,说明掺入Tm3+、Bi3+或Yb3+离子只是取代了Y3+离子的位置,而没有引起YVO4结构的变化。在监测样品的可见发射和红外发射的激发谱中,都存在一个从260到350nm的宽带激发峰,此宽峰来自于O2--V5+电荷迁移态的吸收。在监测可见发射和红外发射的激发谱中同时观测到了Tm3+：3H6→1G4的跃迁吸收,说明存在Tm3+向Yb3+的能量传递。当Yb3+离子的掺杂浓度为32%时,通过测量样品可见光的衰减寿命估算得到从Tm3+向yb3+的能量传递效率为60.9%,量子效率(ηQE)为160.9%。且其能量转移速率为1.94×104s-1,这个转移速率比Tb3+-Yb3+系统中的转移速率快很多,说明在YVO4基质中从Tm3+向yb3+的能量传递是非常有效。通过对样品YVO4:Tm3+,Yb3+的发光性质的研究,推测其近红外下转换发光的可能的能量传递机理为：在紫外光激发下,VO43-可以从其O2-(2p)基态激发到V5+(3d)激发态,然后激发态的VO43-通过共振能量传递将能量传递给Tm3+:1G4,处于激发态的Tm3+离子再通过合作能量传递方式将能量传递给Yb3+离子,进而发射出两个近红外光子。