类型a：学术研究报告

该研究由来自广西大学物理科学与技术学院（School of Physical Science and Technology, Guangxi University）的Ming Deng、Wenxia Wu、Zhaoyue Wang等团队完成，通讯作者为Wen Deng。研究成果于2025年8月发表在《Ceramics International》期刊上（卷51，页码49778–49787），标题为”Intense up-conversion and down-conversion emissions in Er and Yb co-doped monoclinic YNbO4 single crystal”。

学术背景
该研究属于稀土离子掺杂发光材料领域。稀土离子（如Er3+/Yb3+）因其独特的4f电子构型和优异的光致发光（photoluminescence, PL）特性，在照明显示、生物成像、防伪技术和固态激光器等领域具有广泛应用前景。光致发光行为主要分为下转换发光（down-conversion photoluminescence, DCpl）和上转换发光（up-conversion photoluminescence, UCpl）。其中Er3+/Yb3+共掺杂材料因高效的近红外（NIR）吸收和能量转移特性备受关注。传统立方相氧化钇稳定氧化锆（cubic YSZ）晶体虽具有良好的热稳定性和光学透过率，但高对称性晶体结构限制了稀土离子的发光效率。本研究首次提出采用单斜相钇铌酸盐（monoclinic YNbO4）作为新型基质材料，通过对比YNbO4:Yb/Er与YSZ:Yb/Er晶体的发光性能，探索更低对称性晶体结构对稀土离子发光的增强机制。

研究流程与实验方法
1. 晶体生长
采用光学浮区法（optical floating zone, OFZ）首次生长了高质量YNbO4:Yb2Er0.4和YNbO4单晶，作为对照同步制备了立方相YSZ:Yb2Er0.4和YSZ晶体。原料采用高纯度（>99.99%）纳米氧化物（Nb2O5、ZrO2、Y2O3等），通过等静压成型后分别在1200℃（YNbO4）和1550℃（YSZ）烧结成多晶陶瓷棒。晶体生长在氧气氛围中进行，YNbO4生长温度约1800℃，YSZ约2900℃，生长速率5 mm/h，转速100 rpm。最终获得无裂纹、高透明的晶体棒（直径5 mm），切割抛光为1 mm厚晶片用于测试。

1. 结构表征
   通过X射线衍射（XRD）结合Rietveld精修分析晶体结构。结果显示YNbO4:Yb2Er0.4保持单斜结构（空间群C2/c），晶格参数a=7.038 Å，b=10.950 Å，c=5.299 Å，β=134.069°；YSZ:Yb2Er0.4为立方结构（空间群Fm-3m），a=5.138 Å。精修拟合优度（χ²）分别为1.65和1.69，证实稀土离子成功取代Y3+位点且未改变基质结构。

2. 密度与缺陷分析
   通过阿基米德排水法测量实验密度，结合理论密度计算氧空位浓度。YNbO4和YNbO4:Yb2Er0.4密度偏差分别为1.96%和2.32%，远低于YSZ晶体的5.41%和5.53%。X射线光电子能谱（XPS）进一步证实：YNbO4:Yb2Er0.4的氧空位（Ov）占比仅19.28%，而YSZ:Yb2Er0.4高达26.44%。这归因于YSZ中Y3+替代Zr4+需通过氧空位维持电荷平衡，而YNbO4基质无需此类补偿机制。

3. 光学性能测试

   • 透过率谱显示：YNbO4在380–1100 nm波段透过率达85%，优于YSZ（80%）。掺杂后晶体在379 nm（Er3+: 4I15/2→4G11/2）、980 nm（Yb3+: 2F7/2→2F5/2）等波长处出现特征吸收峰，YNbO4:Yb2Er0.4吸收强度显著更高。
   • Tauc方程计算光学带隙：YNbO4为4.39 eV，YSZ为4.87 eV，宽禁带特性确保基质对稀土发光的无干扰。
   • 上转换发光（980 nm激发）：YNbO4:Yb2Er0.4在321 nm（2P3/2→4I15/2）、389 nm（4G11/2→4I15/2）、535/555 nm（2H11/2/4S3/2→4I15/2）等处的发射强度分别是YSZ:Yb2Er0.4的10.6倍（321 nm）、18.7倍（389 nm）和6.1倍（绿光）。功率依赖分析揭示321 nm发射为四光子过程（斜率n=3.92），389/411 nm为三光子（n≈3.2），绿光/红光为双光子过程（n≈2.1）。
   • 下转换发光（379 nm激发）：YNbO4:Yb2Er0.4在535/555 nm的积分强度为YSZ:Yb2Er0.4的3.18倍。

结果与讨论
关键发现表明：YNbO4:Yb2Er0.4的发光增强源于三重优势：(1) 单斜相较低对称性（vs立方YSZ）通过破坏宇称选择定则（Laporte selection rule）促进电偶极跃迁；(2) 更低的氧空位浓度减少非辐射弛豫；(3) 更高光学透过率降低激发光损耗。特别值得注意的是，该晶体在321 nm处实现了强烈的紫外上转换发射（四光子过程），这在高对称性基质中极难观测，为近红外泵浦紫外固态激光器提供了新材料选择。

结论与价值
本研究首次证明单斜YNBO4作为稀土掺杂基质的优越性：
- 科学价值：阐明晶体对称性、氧缺陷与发光效率的构效关系，为设计高效发光材料提供新思路。
- 应用价值：YNbO4:Yb/Er晶体在紫外-可见多色发光、高功率激光增益介质、光学温度传感等领域具应用潜力。相较于传统YSZ基质，其发光强度提升达18倍（389 nm），且具有更宽的光学透明窗口（85%透过率）。

研究亮点
1. 创新性材料体系：首次采用OFZ法制备Er/Yb共掺杂YNbO4单晶，填补该基质单晶研究的空白。
2. 机制突破：通过密度偏差与XPS定量关联氧空位浓度，建立缺陷工程与发光性能的直接证据链。
3. 性能突破：实现稀土离子在321 nm的强紫外上转换发射（四光子过程），为文献报道中的罕见案例。
4. 方法学贡献：开发了一套完整的晶体生长-结构-光学性能联评方案，适用于高熔点氧化物单晶研究。

其他发现
能级跃迁路径分析表明：Yb3+→Er3+的能量转移（energy transfer, ET）通过四级接力完成（4I15/2→4I11/2→4F7/2→4G11/2→2D5/2），其中4G11/2→2H9/2的非辐射弛豫（non-radiative relaxation）是产生389 nm紫外发射的关键步骤。该过程在低对称性晶体场中显著增强，进一步验证了晶体工程对稀土发光的调控作用。