稀土掺杂上转换纳米晶具有更窄的发射带宽、长荧光寿命、高化学稳定性、低毒性、低荧光背景、更深的穿透深度等特性而受到人们的广泛关注。近些年,上转换纳米晶的研究主要集中在通过各种方法合成不同尺寸、发射波长的上转换纳米晶,然后经过表面修饰或生物偶联,研究其在生物成像、生物检测、癌症治疗和生物安全性、太阳能电池等方面的应用,取得了丰富的科研成果。但是,关于上转换纳米晶在其他方面的应用,则研究比较少。基于此,本文通过对上转换纳米晶的组分、结构进行设计,调控上转换发光,并探索不同结构设计对其在温度传感、水检测应用领域的影响,这对实用型温度探针、水探针的研发具有重要的指导意义。并从以下四个方面进行了研究:(1)设计并制备出Yb/Ho/Ce:NaGdF4@Yb/Tm:NaYF4核壳纳米晶,在980nm激发下同时实现了上转换的白光发射和温度传感。Ho3+和Tm3+离子分别为绿光、红光和蓝光发射的来源,Ce3+离子的掺入改变了Ho3+离子的红绿比,最终实现白光发射。Ce3+离子与Tm3+离子的共同用作提高了上转换纳米晶温度传感的灵敏度,从0.7%K-1提高到2.4%K-1。此外,上转换纳米晶还拥有优异的信号分辨力(3040 cm-1),比较适用于光学测温材料。(2)合成了具有不同壳层厚度的Yb/Er:NaGdF4@NaYF4核壳纳米晶,并通过采用高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)证实了核壳结构的形成。随着壳层厚度的增加,Er3+的上转换发射逐渐增强,最佳核壳纳米晶样品的发射强度约为核纳米晶样品的78倍。此外,壳层厚度对纳米晶温度传感的相对灵敏度没有明显的影响。但是,与核纳米晶相比,核壳纳米晶由980 nm激光器辐射和高上转换量子效率所引起的热效应比较小,这有利于获得更强的荧光强度信号,提高温度探测的精度。(3)在Er3+作为活化剂的上转换纳米晶体中,当Er3+的含量高(>5mol%)时,会容易发生浓度猝灭,作为影响浓度猝灭的关键因素——Er3+的空间分布,是必须考虑的一个重要问题。选用Yb:Na Er F4作为发光层,研究了其在三维和二维空间中的上转换发射和温度传感行为。在核壳纳米结构中,Er3+的空间分布的不同导致了纳米晶在376 nm、808 nm、980 nm和1532 nm激发时其红绿比和衰减曲线出现了显著的变化,这是由于二维空间使得发光层中相邻离子之间的距离变短,容易引发交叉驰豫(在376 nm激发下:CR1:Er3+:2H9/2+Yb3+:2F7/2→Er3+:4F9/2+Yb3+:2F5/2,在808 nm、980 nm激发下:CR2:Er3+:4F7/2+Er3+:4I11/2→Er3+:4F9/2+Er3+:4F9/2,在1532 nm激发下:CR3:Er3+:4S3/2+4I13/2→Er3+:4I9/2+Er3+:4I9/2)。此外,在808 nm激发下Er3+的空间分布对其温度传感的灵敏度没有明显的影响。(4)设计了一种基于Nd3+敏化的Yb/Er:NaGdF4@Yb/Nd:NaYF4核壳上转换纳米晶,实现了808 nm可激发的水检测应用,检测极限达到0.01%(100 ppm)。核壳结构使得Er3+的蓝光、绿光、红光上转换发射得到了显著增强。通过在不同激发波长下测试核、核壳、核壳壳三种不同结构的纳米晶的水检测效果,系统地研究了上转换纳米晶的水检测机理——激发衰减、Yb3+激发态猝灭、Er3+激发态猝灭。