RESEARCH ARTICLE

Effect of energy back transfer from Er3+ to Yb3+ ions on the upconversion luminescence of Er:NaYb(MoO4)2 and Yb,Er:NaBi(MoO4)2 

Miaomiao Wang , Mengyu Zhang , Shoujun Ding , Haitang Hu , Chuancheng Zhang , Yong Zou

2025, 18(2): 12.https://doi.org/10.1007/s12200-025-00155-5

Abstract: Under the excitation of a 980 nm laser, the visible upconversion (UC) luminescence of Er³⁺ ions doped Yb³⁺ ions selfactivated NaYb(MoO₄)₂ phosphor and crystal, as well as the Yb³⁺/Er³⁺ ions codoped NaBi(MoO₄)₂ crystal were investigated comprehensively. The results indicate that all three samples exhibit two significant green emission bands and a weak red emission band in the visible band corresponding to the transitions of ²H_11/2/⁴S_3/2→⁴I_15/2 and ⁴F_9/2→⁴I_15/2 of Er³⁺ ions, respectively. Through the variable power density spectra of three different samples, the relationship between the energy back transfer (EBT) process of Yb³⁺-Er³⁺ ions and the power density point and Yb³⁺ ion concentration was investigated. The EBT process was observed in both the Er³⁺ ions doped Yb³⁺ ions self-activated NaYb(MoO₄)₂ phosphor and crystal, as confirmed by the luminescence image of the sample. At high power density, the Yb³⁺ ions self-activated sample exhibited yellow luminescence, with the crystal appearing later than the phosphor. In contrast, the NaBi(MoO₄)₂ crystal displayed bright green emission within the measured power density range. In addition, by monitoring the relative intensity change of Yb³⁺ emission in 5 at% Er³⁺: NaYb(MoO₄)₂ crystal, the generation of EBT process in self-activated samples at high power density is more directly explained. These experimental results provide a reliable basis for our comprehensive understanding of the EBT mechanism, and also provide a reliable direction for the final determination of the optimal excitation power density for optical temperature measurement.

研究背景​：上转换（Upconversion, UC）发光是一种通过连续吸收至少两个低能量光子来实现更高能量可见光发射的过程。稀土离子掺杂的UC发光材料因其在生物成像、固态激光、荧光防伪和温度传感器等领域的潜在应用而受到广泛关注。特别是基于荧光强度比（Fluorescence Intensity Ratio, FIR）的光学温度传感器，能够实现非接触、高精度和快速的温度测量。然而，现有文献对UC发光机制的讨论不够全面，尤其是能量回传（Energy Back Transfer, EBT）机制。本研究旨在深入探讨EBT机制，为确定光学温度测量的最佳激发功率点提供指导。

​主要内容​：本研究通过实验研究了在980 nm激光激发下，Er³⁺离子掺杂的Yb³⁺自激活NaYb(MoO₄)₂荧光粉和晶体，以及Yb³⁺/Er³⁺离子共掺杂的NaBi(MoO₄)₂晶体的可见光UC发光特性。研究发现，所有三种样品均显示出两个显著的绿色发射带和一个较弱的红色发射带，分别对应于Er³⁺离子的²H_11/2/⁴S_3/2→⁴I_15/2 和 ⁴F_9/2→⁴I_15/2 跃迁。通过监测5 at% Er³⁺:NaYb(MoO₄)₂晶体中Yb³⁺发射的相对强度变化，解释了自激活样品在高功率密度下EBT过程的发生。

​创新点​：本研究通过改变激发功率密度和Yb³⁺离子浓度，详细研究了Yb³⁺-Er³⁺离子之间的EBT过程。通过监测5 at% Er³⁺:NaYb(MoO₄)₂晶体中Yb³⁺发射的相对强度变化，解释了自激活样品在高功率密度下EBT过程的发生。为确定光学温度测量的最佳激发功率点提供指导。

​方法​：

• 样品制备​：通过高温固态法合成了NaYb(MoO₄)₂: 5 at% Er³⁺荧光粉，通过Czochralski法生长了NaYb(MoO₄)₂: 5 at% Er³⁺和NaBi(MoO₄)₂: 10 at% Yb³⁺, 1 at% Er³⁺晶体。

• 光谱测量​：使用光谱仪（Omni-λ5028i）和电荷耦合器（Andor DU401 BVF）测量样品的UC发射光谱。

• 结构分析​：使用Bruker D8 Advance X射线衍射仪进行相结构分析。

• 吸收光谱测量​：使用UV-3600光谱光度计测量样品的漫反射UV-Vis-IR吸收光谱。

​结果​：

• ​XRD分析​：所有样品的XRD图谱与标准参考化合物一致，表明样品为纯相态，且掺杂离子的加入未显著改变主晶格结构。

• 吸收光谱​：Er³⁺掺杂的NaYb(MoO₄)₂样品显示出九个显著的吸收带，分别对应于Er³⁺从⁴I_15/2基态到不同激发态的跃迁。NaBi (MoO₄)₂单晶在523 nm处观察到一个吸收带，对应于Er³⁺离子从⁴I_15/2基态到²H_11/2激发态的跃迁。

• UC发光特性​：所有样品在可见光波段显示出两个显著的绿色发射带和一个较弱的红色发射带。

• ​EBT过程​：通过监测5 at% Er³⁺: NaYb(MoO₄)₂晶体中Yb³⁺发射的相对强度变化，直接观察到在高功率密度下EBT过程的发生。实验结果表明，EBT过程在高Yb³⁺离子浓度下更为显著，导致绿色UC发光被抑制，红色UC发光增强。

​结论​：本研究通过实验验证了EBT机制，并为确定光学温度测量的最佳激发功率点提供了可靠的指导。研究结果表明，高Yb³⁺离子浓度促进了Yb³⁺-Er³⁺离子之间的EBT过程，导致Er³⁺离子的绿色发光被抑制，红色发光增强。此外，晶体（长程有序结构）比荧光粉（局部有序结构）表现出更弱的EBT过程，这可能归因于晶体的热稳定性更好。这些发现为深入理解EBT机制提供了可靠的基础，并为光学温度测量的最佳激发功率点提供了指导。