一种基于随机行走模型的稀土掺杂上转换发光行为分析方法技术

本发明专利技术公开一种基于随机行走模型的稀土掺杂上转换发光行为分析方法，包括：建立上转换发光纳米空间结构及发光中心分布构型；设定双掺杂型上转换发光系统离子能级结构；设定上转换发光过程中各种能量输运过程及对应概率；通过蒙特卡洛方法模拟能量在上转换颗粒系统内的随机行走过程；计算上转换发光系统激发和衰退过程，输出上转换瞬态发光行为数据。该方法及模型能够在微观层面描述纳米尺度下稀土掺杂上转换发光系统能量输运过程，可用于发光行为调控和发光机理研究，为设计开发具有特定发光特点的稀土掺杂上转换发光粒子提供理论支撑。支撑。支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种基于随机行走模型的稀土掺杂上转换发光行为分析方法


[0001]本专利技术属于稀土掺杂上转换发光领域，具体涉及一种基于随机行走模型的稀土掺杂上转换发光行为分析方法。

技术介绍

[0002]上转换发光又称反斯托克斯发光，能够吸收长波长光而发射短波长光。稀土掺杂上转换发光材料的发光效率较高、发光波长丰富，同时又具有易保存、易复合、发光稳定等特点，在生物成像、防伪和光遗传学等领域有重要应用。
[0003]随着纳米技术的发展，纳米尺度结构材料的开发进一步拓展了上转换发光的应用范畴，一些新奇的光学现象被发现，人们对于上转换发光过程的认识和发光机理的研究进一步得到发展。当前，上转换发光理论模型的研究远远不能满足新的光学材料制备、光学结构设计和新发光现象的发现与解析。部分科研工作者提出或建立了一些理论研究模型，例如Grant和Zubenko建立了速率方程模型、随机行走模型，对于分析和预测离子发光提供了一些基础的指导方法。然而，由于稀土发光原理的复杂性和新型纳米材料的出现，亟需建立一种能涵盖发光系统中主要发光过程（能量输运）的理论模型来还原发光行为，并为上转换发光机理研究提供理论指导。
[0004]随机行走模型可以很大程度上体现稀土离子在纳米结构中的能量输运过程，敏化剂与敏化剂、敏化剂与激活剂、发光中心与基质之间通过相互作用完成能量的空间分配（即能量输运过程），从而影响发光行为。需要指出的是，该模型中敏化剂离子之间的能量迁移行为对发光的产生及调控起着关键作用。目前该模型的研究吸引了研究人员的关注，例如，Zuo等人利用随机行走模型模拟了纳米晶中离子间的微观相互作用，但其对于纳米晶体内部离子分布假设过于简单，也没有考虑到能量输运过程中每时每刻离子状态及其周围环境的变化，而且能级结构也仅仅为简单的双光子系统。我们综合考虑了常见的离子分布问题、能级过简问题、过程竞争概率等问题，结合蒙特卡洛模拟中采用的依赖大量重复的随机抽样获得数值结果的统计模拟方法，建立了一种随机行走概率随空间分布不同而变化的和能够分析复杂能级系统的新型上转换发光分析模型，有望为研究稀土掺杂上转换发光领域中离子间能量传递机理提供一种的重要工具。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术提出了一种基于随机行走模型的稀土掺杂材料上转换发光分析方法。
[0006]本专利技术提供基于随机行走模型的稀土掺杂上转换发光行为分析方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：建立上转换发光纳米空间结构及发光中心分布构型；步骤S2：设定双掺杂型上转换发光系统离子能级结构；步骤S3：设定上转换发光过程中各种能量输运过程及对应概率；
步骤S4：通过蒙特卡洛方法模拟能量在上转换颗粒系统内的随机行走过程；步骤S5：计算上转换发光系统激发和衰退过程，输出上转换瞬态发光行为数据；所述步骤S1包括：步骤S101：建立上转换发光纳米空间结构；步骤S102：采用随机分布的方式将基态敏化剂与基态激活剂离子分布在上转换发光纳米空间结构中；所述步骤S3包括：步骤S301：将上转换发光过程中能量输运过程简化，只包括能量迁移、能量传递、泵浦吸收、辐射跃迁以及非辐射跃迁过程；步骤S302：计算出每种能量输运过程的概率；其中，泵浦吸收概率由下式获得：其中ρ代表激发能量密度，σ代表离子吸收截面，Δt代表每次随机行走的时间步长，E代表在中单个光子能量；其中，能量迁移、能量传递、辐射跃迁以及非辐射跃迁概率由下式获得：其中代表激发态离子发生各能量输运过程的概率，Δt代表每次随机行走的时间步长；所述步骤S4包括：步骤S401，基态敏化剂离子根据泵浦吸收概率随机发生泵浦吸收；步骤S402，判断激发态敏化剂离子最近邻离子种类；步骤S403，计算出激发态敏化剂离子与近邻离子发生随机的能量输运概率，激发态敏化剂离子根据概率发生随机的能量输运过程；步骤S404，激发态激活剂离子根据辐射跃迁与非辐射跃迁概率随机发生辐射跃迁与非辐射跃迁。
[0007]本专利技术激发过程为从0时刻开始以为时间步长逐次重复步骤S401
‑
S404，直到激发停止。本专利技术衰退过程为从激发停止开始以为时间步长重复步骤S402
‑
S404，直到衰退时间耗尽或者发生辐射跃迁的激活剂离子数目为0。
[0008]本专利技术输出上转换瞬态发光行为数据为统计在激发和衰退过程中激活剂离子发生辐射跃迁的数目。
[0009]本专利技术所述步骤S2中离子能级结构可根据需求简化或按照实际能级结构设定，离子种类可调。
[0010]本专利技术有以下优点：目前实验上已经证明能量迁移过程对上转换发光有着重要影响，但目前主流的速率方程模型无法体现能量迁移过程，而随机行走模型中能量迁移过程占主要地位，因此该模型和实验结论契合度高。
[0011]在建立更加复杂的上转换发光能级系统同时，离子发生随机行走概率随其周围环境不同而发生变化，能够很好地反应真实上转换发光纳米空间中发光中心周围环境变化对
上转换发光的影响。
[0012]根据实际情况调整各种能量输运过程和改变三维数组结构来调整上转换发光纳米空间结构及发光中心分布构型，实现实验上对稀土掺杂上转换发光系统的调控，模拟更贴近真实的上转换发光系统。
附图说明
[0013]图1为本专利技术实施例1提供的随机行走过程的流程图。
[0014]图2为本专利技术实施例1建立的上转换发光系统能级结构图。
[0015]图3为本专利技术实施例1输出的上转换瞬态发光行为数据图像。
[0016]图4为本专利技术实施例2输出的上转换瞬态发光行为数据图像。
[0017]图5为本专利技术实施例3输出的上转换瞬态发光行为数据图像。
具体实施方式
[0018]下面采用稀土掺杂上转换发光纳米材料中典型的能级结构系统，结合图表对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。
实施例1
[0019]图1为本专利技术实施例提供的建立随机行走过程的流程图，具体包括：步骤S1为建立上转换发光纳米空间结构及发光中心分布构型；步骤S1具体包括：步骤S101：利用三维数组建立一个大小100
×
100
×
100的矩阵，还可以为其他构型；步骤S102：采用随机分布的方式将处于基态的敏化剂与激活剂离子分别按2%和98%的比例分布在上转换发光纳米空间结构中。
[0020]步骤S2为设定双掺杂型上转换发光系统离子能级结构，具体如图2所示；步骤S3为设定上转换发光过程中各种能量输运过程及对应概率；步骤S3具体包括：步骤S301：将上转换发光过程中能量输运过程简化，只包括能量迁移、能量传递、泵浦吸收和辐射跃迁过程；步骤S302：计算出每种能量输运过程的概率。
[0021]具体地，泵浦吸收概率由下式计算获得：其中ρ代表激发能量密度，σ代表离子吸收截面，Δt代表每次随机行走的时间步长，E代表在中单个光子能量；能量迁移、能量传递、辐射跃迁以及非辐射跃迁概率由下式计算获得：其中代表激发态离子发生各能量输运过程的概率，Δt代表每次随机行走的时间步长本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于随机行走模型的稀土掺杂上转换发光行为分析方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：建立上转换发光纳米空间结构及发光中心分布构型；步骤S2：设定双掺杂型上转换发光系统离子能级结构；步骤S3：设定上转换发光过程中各种能量输运过程及对应概率；步骤S4：通过蒙特卡洛方法模拟能量在上转换颗粒系统内的随机行走过程；步骤S5：计算上转换发光系统激发和衰退过程，输出上转换瞬态发光行为数据；所述步骤S1包括：步骤S101：建立上转换发光纳米空间结构；步骤S102：采用随机分布的方式将基态敏化剂与基态激活剂离子分布在上转换发光纳米空间结构中；所述步骤S3包括：步骤S301：将上转换发光过程中能量输运过程简化，只包括能量迁移、能量传递、泵浦吸收、辐射跃迁以及非辐射跃迁过程；步骤S302：计算出每种能量输运过程的概率；其中，泵浦吸收概率由下式获得：其中ρ代表激发能量密度，σ代表离子吸收截面，Δt代表每次随机行走的时间步长，E代表在中单个光子能量；其中，能量迁移、能量传递、辐射跃迁以及非辐射跃迁概率由下式获得：其中代表激发态离子发生各能量输运过程的概率，Δt...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩迎东，潘俞同，魏通，马宇，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：