上转换纳米材料是一类能够吸收低能量的长波长光（如近红外光），并将其转换为高能量的短波长光（如可见光或紫外光）的功能性纳米材料。这种光学特性使其在生物医学成像中能够有效避免生物组织自发荧光的干扰，提高成像的对比度和分辨率；在光催化领域可拓展太阳光的利用范围，提高催化效率；在太阳能电池中有助于提高光电转换效率。上转换纳米材料的量子效率普遍较低，这成为制约其大规模应用的关键瓶颈。量子效率是指材料将吸收的光子转换为发射光子的效率，提升上转换纳米材料的量子效率对于充分发挥其性能优势、拓展应用领域具有重要意义。

影响上转换纳米材料量子效率的关键因素

1.稀土离子间的能量传递过程

上转换发光主要依赖于稀土离子之间的能量传递。在典型的镧系离子掺杂的上转换纳米材料中，如镱（Yb³⁺）和铒（Er³⁺）共掺杂体系，Yb³⁺作为敏化剂吸收近红外光，然后将能量传递给激活剂Er³⁺，使其跃迁到高能级并发射上转换荧光。能量传递效率的高低直接影响量子效率。若能量传递过程中存在能量损失，如能量回传、非辐射跃迁等，会导致量子效率下降。此外，稀土离子之间的距离和分布也会影响能量传递的效率，离子间距过大或分布不均匀都可能降低能量传递的概率。

2.基质材料的声子能量

基质材料为稀土离子提供了晶体场环境，其声子能量对上转换量子效率有重要影响。声子能量是指晶格振动的能量，高声子能量的基质材料会增加非辐射跃迁的几率。当稀土离子从激发态跃迁到基态时，若基质材料的声子能量较高，离子可能通过多声子弛豫过程将能量以热的形式释放出去，而不是以光子的形式发射出来，从而降低量子效率。因此，选择低声子能量的基质材料是提高量子效率的重要途径之一。

3.表面缺陷与猝灭效应

上转换纳米材料具有较大的比表面积，表面原子配位不饱和，容易产生表面缺陷。这些表面缺陷会成为非辐射复合中心，捕获激发态的电子或空穴，导致能量以非辐射的形式耗散，从而降低量子效率。此外，纳米材料表面与周围环境（如溶剂、配体等）的相互作用也可能引起猝灭效应，进一步降低发光效率。

4.激发光强度与激发态寿命

上转换发光过程通常涉及多个光子的吸收和能量传递步骤，激发光强度对量子效率有影响。在低激发光强度下，能量传递过程可能不充分，导致发光效率较低；而在高激发光强度下，虽然可以增加光子吸收的几率，但也可能引发交叉弛豫等非线性效应，同样会降低量子效率。另外，激发态寿命也会影响量子效率，较长的激发态寿命有利于能量传递和发光，但过长的寿命也可能增加非辐射跃迁的几率。

提升上转换纳米材料量子效率的策略

1.稀土离子掺杂优化

选择合适的稀土离子组合：不同的稀土离子具有不同的能级结构和发光特性，通过选择合适的敏化剂和激活剂组合，可以提高能量传递效率。例如，除了常用的Yb³⁺ - Er³⁺体系外，Yb³⁺ - Tm³⁺、Yb³⁺ - Ho³⁺等体系也具有发光性能。通过合理搭配，可以实现多色发光和上转换发光。

控制掺杂浓度：稀土离子的掺杂浓度对量子效率有重要影响。适当的掺杂浓度可以提高能量传递效率，但过高的浓度会导致离子间距减小，增加交叉弛豫和非辐射跃迁的几率，从而降低量子效率。因此，需要通过实验优化确定最佳的掺杂浓度。

采用共掺杂技术：共掺杂其他离子可以调节稀土离子的能级结构，改善能量传递过程。例如，共掺杂锂离子（Li⁺）可以改变晶格结构，调节稀土离子的晶体场环境，提高发光效率；共掺杂钆离子（Gd³⁺）可以作为能量传递的桥梁，增强不同稀土离子之间的能量耦合。

2.基质材料选择与改性

选择低声子能量的基质材料：氟化物基质材料（如NaYF₄、NaGdF₄等）具有较低的声子能量，能够有效减少非辐射跃迁损失，提高上转换发光效率。此外，一些新型的基质材料，如卤氧化物、硫化物等，也具有低声子能量的特点，值得进一步研究和开发。

基质材料掺杂：在基质材料中掺杂其他离子可以调节其晶体结构和光学性质。例如，在NaYF₄基质中掺杂钙离子（Ca²⁺）、锶离子（Sr²⁺）等可以改变晶格常数，优化稀土离子的晶体场环境，提高发光效率。

缺陷工程：通过引入特定的缺陷或调控缺陷的浓度和分布，可以改变基质材料的电子结构和光学性质。例如，在基质材料中引入氧空位等缺陷，可以形成新的能级，影响稀土离子的能量传递和发光过程，从而实现对量子效率的调控。

3.表面修饰与钝化

有机配体修饰：在上转换纳米材料表面修饰合适的有机配体，可以改善其分散性和稳定性，同时减少表面缺陷。有机配体可以通过化学键与纳米材料表面结合，填充表面悬挂键，降低非辐射复合的几率。常用的有机配体包括油酸、油胺、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等。

无机壳层包覆：在纳米材料表面包覆一层无机壳层，如SiO₂、TiO₂等，可以有效钝化表面缺陷，阻止表面与周围环境的相互作用，减少猝灭效应。此外，无机壳层还可以作为保护层，提高纳米材料的化学稳定性和热稳定性。

表面等离子体共振增强：在上转换纳米材料表面修饰金属纳米颗粒（如金、银纳米颗粒），利用金属纳米颗粒的表面等离子体共振效应，可以增强局部电磁场，提高稀土离子对激发光的吸收效率，从而提升上转换发光强度和量子效率。

4.核壳结构设计

同质核壳结构：构建同质核壳结构的上转换纳米材料，如在NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺核表面包覆一层未掺杂的NaYF₄壳层，可以限制激活剂离子的能量扩散，减少表面猝灭效应，提高量子效率。同时，核壳结构还可以调节纳米材料的发光颜色和强度。

异质核壳结构：异质核壳结构由不同材料的核和壳组成，通过合理选择核和壳的材料，可以实现能量的有效传递和调控。例如，将上转换纳米材料核与下转换荧光材料壳相结合，可以构建能量转移体系，拓宽发光波长范围，提高光利用效率。

5.外部场辅助调控

电场调控：施加外部电场可以改变上转换纳米材料中稀土离子的能级结构和电荷分布，影响能量传递和发光过程。通过调节电场的强度和方向，可以实现对上转换发光强度和量子效率的动态调控。

磁场调控：稀土离子具有未填满的4f电子层，对外加磁场敏感。施加磁场可以引起稀土离子能级的塞曼分裂，改变能级之间的跃迁几率，从而影响上转换发光效率。磁场调控为上转换纳米材料在磁光器件等领域的应用提供了新的途径。

光场调控：采用脉冲激光激发或双光子激发等特殊光场条件，可以优化上转换发光过程。脉冲激光激发可以提供高强度的瞬时光场，增加光子吸收的几率；双光子激发具有较高的空间分辨率和较低的组织散射，有助于提高生物成像的质量和量子效率。

6.合成方法改进

优化合成条件：合成过程中的反应温度、反应时间、pH值、表面活性剂种类和浓度等因素都会影响上转换纳米材料的形貌、尺寸和结晶度，进而影响其量子效率。通过优化这些合成条件，可以制备出高质量的纳米材料，提高发光效率。

采用新型合成方法：除了传统的溶剂热法、水热法外，一些新型的合成方法，如微波辅助合成、超声合成、模板法等，具有反应速度快、产物纯度高、形貌可控等优点，有望进一步提高上转换纳米材料的量子效率。