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稀土上转换发光纳米粒子是一类具有广泛应用前景的功能材料。它独特的发光性能使得它在生物、能源、信息存储、成像显示等方面都具有巨大的潜在应用价值。尤其是在生物成像和治疗方面，稀土上转换发光由于其激发波长恰巧位于所谓的“生物光学窗口区”(650 nm-1300 nm)，因此对人体等生物组织具有较高的穿透深度。而其多波段的发射光（从近紫外到近红外）也能很好地同时满足肿瘤等重大疾病的早期光动力治疗和光学成像等一系列应用需求。因此，多年来此类材料一直吸引着人们的极大关注。然而，上转换发光效率过低一直是制约其应用的瓶颈问题。要想提高其发光效率，深入认识和理解上转换发光的物理机理是非常必要的，但是目前，这方面的研究依然还不够深入。其中一个重要的原因是上转换发光通常都涉及到复杂的能量传递过程，而目前人们对上转换材料中能量如何传递？以及能量传递如何影响上转换发光效率等相关科学问题尚缺乏清晰的认识和理解。尤其当体系进入纳米尺度后，对上转换发光的机理研究同时带来了机遇与挑战。一方面，由于表面与核壳界面的存在，破坏了体系的均匀性，使得体系中能量传递的过程变得更为复杂;另一方面，由于纳米材料合成的可控性，使得我们可以人为地设计出掺杂离子区域分离（分区掺杂）的纳米结构，从而调控纳米粒子中的能量传递过程，利用这种方法能够帮助我们更加准确地观察和理解能量传递过程对上转换发光的影响。基于上述认识，在本论文中，结合应用需求及上转换材料的发展现状，我们有针对性地设计了一些分区掺杂的上转换发光纳米结构并对其稳态和动力学发光进行了研究，取得了一些创新的结果，具体包括以下三部分: 一:构建稀土离子分区掺杂的纳米结构，实现上转换稳态发光光谱调控 如何提高上转换纳米粒子的发光强度无疑是人们普遍关心的问题。相比于裸核纳米粒子，核壳结构可以在很大程度上提高纳米粒子的发光强度。目前，粒子表面包覆的壳层可以分为惰性壳与活性壳两大类，其中只有活性壳与核之间存在着能量传递。截至目前，有关活性壳的报道讨论的都是壳层向核的能量传递，而核内能量向壳层的反向传递过程尚没有得到人们的重视和研究。在本论文中，我们通过构筑系列的离子分区掺杂纳米结构，研究比较了惰性壳与20％ Yb3+掺杂的活性壳包覆的纳米结构的稳态发光光谱，证实了核与活性壳两个区域之间的双向能量传递过程。在此基础上，创新地提出了活性壳@惰性壳双层壳包覆的概念，研究结果表明，在总体壳厚相同的情况下，双层壳包覆的纳米粒子的发光强度高于任何一种单层壳（活性壳或惰性壳）结构。从而有效地利用了分区掺杂纳米结构中的能量传递过程增强了上转换发光。 二:构建稀土离子分区掺杂的长寿命发光纳米结构，实现对上转换发光动力学过程的调控 动力学过程作为上转换发光的一个基本物理问题，一直受到人们的重视。但是现有的理论分析方法——速率方程分析法却存在着一定的缺陷。由于该理论分析方法无法处理纳米体系中的边界条件和能量迁移这两个问题，因而在许多情况下无法对上转换发光的动力学过程给出清晰的物理图像。借助分区掺杂合成手段，我们构造出吸收与发射区域部分或完全分离的纳米结构，从而得以系统地研究了边界条件和能量迁移对上转换发光动力学的影响。具体内容包括1）:表面效应如何导致纳米粒子呈现单e指数形式的荧光衰减。2）:通过对分区掺杂纳米结构的发光动力学过程进行研究，我们成功地证明了能量迁移并非如许多文献中认为的那样，是近似无限快的过程，而是需要耗费可观的时间。在此基础上，我们通过对能量迁移过程进行操控，发展出了可以自由调控上转换瞬态发光增强和衰减时间的方法。该研究在加深人们对上转换发光过程认识的基础上，也拓展了利用上转换发光寿命进行涉密编码等方面的应用。 三:基于蒙特卡罗模拟的上转换发光模型构建 目前，绝大多数研究上转换发光物理模型的方法都是速率方程分析法。这种方法对于纳米体系中的许多现象也能给出定性的合理解释，但是，严格地来说，该方法要想完全适用，需要满足以下两个前提条件:一:分析的对象必须是无限大的均匀掺杂体系，二:能量在相同离子间的迁移速率应该是无限快的。基于这两个前提，我们才能将多个供体、受体离子之间的复杂相互作用简化为一对相邻的供体-受体对之间的相互作用。但是，当材料进入到纳米尺寸时，在很多情况下，我们必须考虑边界条件的效应，而且，在之前的工作中，我们也证明了能量迁移过程是需要耗费可观的时间的。因此，利用上述分析方法解释上转换发光过程无疑是存在不足的。基于此考虑，我们尝试利用蒙特卡罗模拟来构建稀土离子间能量传递的新模型，进而研究上转换的发光过程。我们的研究结果已取得了初步的成效。尽管目前这方面的工作还不够完善，一些模型中存在的问题还需要做进一步的改进，但是，在模拟上转换发光效率，纳米粒子的表面效应，以及上转换发光的功率依赖关系等方向上已经取得了与实验结果基本吻合的结果。该模拟方法可以丰富人们对上转换发光微观作用机理的认识和理解。