年度中国稀土十大科技新闻

编者按：

由中国稀土学会和包头稀土研究院主办，“中国稀土”网站承办，《稀土信息》、《稀土》等媒体协办的“2018年中国稀土十大科技新闻”日前揭晓，评选结果将在中国稀土学会网站、中国稀土网站、《稀土信息》杂志发布。此次入选的十大科技新闻是从100余篇2018年度稀土科技新闻中，经过初审、专家评审两个阶段评出。（入选新闻排名不分先后）

1 稀土单晶光纤实现mW级中红外激光输出

单晶光纤是一种新型高效的激光增益介质，能够有效克服体块晶体和玻璃光纤带来的热效应等瓶颈问题，未来将在高功率全固态光纤激光领域具有重大的应用价值。中科院长春应用化学研究所在多年稀土晶体设计及生长技术开发的基础上，实现了mW级中红外激光输出。该成果构建了从稀土晶体基础理论研究及新晶体结构设计，到微下拉生长技术优化、单晶光纤激光输出的全创新链条。标志着我国稀土资源高附加值下游应用领域又一次原创性突破。

稀土资源利用国家重点实验室主任薛冬峰研究员首次明确了“稀土晶体”的定义，从结晶热力学和动力学两方面入手构建微下拉稀土单晶光纤生长模型，利用该理论模型得出稀土单晶光纤生长中的关键参数。为了进一步清晰化生长界面处的化学键合模式，建立轨道杂化模型研究稀土离子的成键行为，定量关联稀土离子配位数、配位结构和外层轨道杂化方式，用于定量计算稀土单晶光纤的生长速度。该工作创新性地利用生长界面处的化学键合模式解决了微观晶体组成和稀土单晶光纤块体材料之间的跨尺度问题，用于多尺度稀土单晶光纤生长方案的定向设计，成功生长了直径0.5～3 mm的稀土铝酸盐、镓酸盐、硅酸盐等系列单晶光纤，获得了mW级中红外激光输出。

2 电子束刻蚀实现中空核壳结构稀土上转换纳米晶原位构筑

由于稀土上转换纳米晶具有将近红外光转换成短波长可见-紫外光的上转换发光特性，同时中空核壳结构纳米晶具有高比表面积及丰富可调的孔道结构等优点，在生物传感及成像、药物缓释和医学诊疗等方面具有广泛的应用前景。合成中空核壳结构上转换纳米晶主要是利用硬模板法。然而，硬模板法需要先对上转换纳米晶进行二氧化硅或聚合物包覆，随后通过选择性腐蚀或者高温煅烧去除模板，其合成工艺较复杂且无法实现在衬底上原位构筑中空核壳结构纳米晶，从而大大限制了其应用范围。

通过在稀土上转换纳米晶表面外延生长均匀包覆同质壳层通常被认为是减少原有纳米晶表面缺陷密度，提高上转换发光效率的一种有效策略。然而，对于同质包覆核壳结构上转换纳米晶核壳界面结构尤其是界面缺陷是否被显著抑制等基础问题尚缺乏深入的实验研究。在国家自然科学基金杰出青年科学基金、科技部“973”计划、中国科学院战略性先导科技专项和创新国际团队等的支持下，中科院福建物质结构研究所功能纳米结构设计与组装重点实验室陈学元研究小组和王元生研究小组合作，通过电子束辐照核壳结构稀土上转换纳米晶发现同质包覆核壳结构纳米晶其内核与壳层界面处依然存在大量晶体缺陷，并且该界面缺陷浓度甚至高于内核中体相缺陷的浓度。

在此基础上，利用这种界面缺陷调控，借助电子束刻蚀首次实现了在碳膜衬底上原位构筑中空核壳结构稀土上转换纳米晶。在一定功率密度的电子束辐照下，预先沉积于碳膜衬底上的核壳结构稀土上转换纳米晶由实心球体快速转变为中空核壳结构，整个过程在30秒内即可完成，并且中空核壳结构纳米晶依然保持原有的晶体结构。通过对纳米晶由实心向中空核壳结构转变过程的原位透射电镜观察，并结合理论模型分析，研究人员进一步揭示了该中空核壳结构形成的微观机制：当纳米晶受到高能电子束辐照时，纳米晶中的Ln (稀土原子)、F、Na原子在与电子碰撞过程中获得动能后挣脱晶格束缚而发生原子迁移或溅射，进而在纳米晶中形成孔洞。

由于核壳结构纳米晶中核壳界面处存在大量缺陷，当受到电子束辐照时，核壳界面处晶格原子挣脱晶格束缚而发生原子迁移或溅射的几率显著增加，因此在该界面及其附近处优先快速形成球对称的空心结构，最终实现纳米晶由实心向中空核壳结构的转变。该项研究结果表明，基于核壳结构纳米晶的界面缺陷调控利用电子束对纳米晶进行原子尺度刻蚀是一种原位构筑中空核壳结构稀土上转换纳米晶的行之有效的方法，该方法将为纳米器件应用领域中原位构筑特殊结构功能化纳米晶提供新思路。

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