光子上转换，不同于遵循斯托克斯定律的下转换过程，是一种发射光子能量大于吸收光子能量的物理过程。光子上转换可通过多种方法实现，包括多光子非线性吸收、有机分子中的三重态-三重态湮灭、稀土掺杂材料中的能量转移以及声子辅助上转换等。其中，声子辅助上转换是固态激光冷却的理论和实验基础，还可应用于光伏、荧光成像、防伪和激光制冷等众多领域。已有研究结果表明一些低维材料，如纳米管、纳米球、量子点、过渡金属二维材料、金刚石色心等通过声子辅助上转换可以获得~100 meV 的巨大能量增益，大大超过室温下的热能（~25 meV）。然而，声子是如何参与反斯托克斯上转换过程并且提高上转换效率和能量增益，一直是该领域长期存在的关键科学问题。
在前期的研究工作中，刘新风课题组与合作者通过构建纳米级超晶格结构增强电子声子强耦合，实现了自陷态发射的从无到有，提出“有机”-“无机”软晶格结构有望成为研究电子声子强耦合效应的平台（Nano Letters, 21, 4137-4144, 2021）。
在此基础上，国家纳米科学中心刘新风研究员团队，与华南师范大学吴波教授、宁夏大学马薇副教授通过将软晶格与低维度相结合，在有机-无机杂化软晶格的准二维钙钛矿体系中成功实现了非常高效的声子辅助上转换发光（图1），声子的作用时间约为1.2 ps，反斯托克斯位移能量超过 200 meV。并且，研究团队首次提出将高上转换能量增益的起源归因于强晶格波动，与经典上转换理论中的声子吸收描述截然不同。
图1. 准二维钙钛矿中声子辅助上转换过程的能级图和动力学示意图。
研究团队利用具有特色的微区瞬态光谱测量平台，并结合密度泛函理论计算（图2），发现有机阳离子在皮秒时间尺度上的运动会导致整个无机晶格发生形变，从而导致电子/激子能量的快速重整。这为低能激子提供了足够的能量，使其达到准平衡态（自由激子），并进行辐射重组。因此，准二维钙钛矿中的高效声子辅助上转换并不直接归因于微扰理论中特定声子模式的吸收，而是由于与晶格形变的强烈非微扰相互作用，能带波动在室温下可达~180 meV，实现了传统半导体无法实现的显著上转换能量增益。该结果厘清了钙钛矿类声子参与光子上转换的时间尺度并加深了对电声耦合作用机制的理解，通过调整有机阳离子和混合软晶格来优化电子-声子耦合强度，从而有效提高上转换效率。通过材料晶格结构优化设计，充分利用晶格振动的能量，有望在光学材料发光领域发挥该物理机制的优势。该研究为高效上转换的设计提供了新的视角，为高效上转换体系的应用拓展指明了一个新的方向。
图2.（A）PEPI纳米片的吸收谱、激发谱和激发波长依赖荧光光谱。（B）PEPI纳米片在上转换激发（565 nm）下的瞬态吸收光谱。（C）探测波长522 nm条件下，上转换和下转换的激子漂白动力学。
相关研究成果以Uncovering the Mechanisms of Efficient Upconversion in Two-dimensional Perovskites with Anti-Stokes Shift Up to 220meV为题，在线发表在国际知名期刊Science Advances（Sci. Adv., 9, eadi9347, 2023）上。国家纳米科学中心刘新风研究员、华南师范大学吴波教授、宁夏大学马薇副教授为该工作的共同通讯作者。华南师范大学吴波教授、国家纳米科学中心联合培养研究生王傲成、宁夏大学研究生付婧为共同第一作者。上述研究工作获得了国家自然科学基金，国家重点研发计划专项，科学院先导B等项目的大力支持。
