镧系掺杂的上转换纳米粒子能够将近红外激发转化为可见光和紫外线发射。与量子点或有机染料等常见荧光材料形成鲜明对比的是,上转换纳米粒子包含独立的和可变的吸收及发射中心,具有光谱频移大、荧光寿命长、辐射带宽较窄、成本相对低廉等独特的优势。基于其独特的光学性质,上转换纳米粒子在荧光显微镜、深层组织生物成像、纳米医学、光遗传学、安全防伪等领域有着广泛的应用。然而,浓度猝灭现象限制了可用激活剂掺杂的数量,在相对低掺杂浓度下,其发光性能的调节也受到很大的阻碍。对于比表面积很大的镧系掺杂纳米材料而言,高的掺杂浓度可能会引起交叉弛豫而导致热能耗散以及能量向表面猝灭剂的迁移,从而导致其发光猝灭。有趣的是,最近的研究结果表明,在镧系掺杂的纳米晶中,浓度猝灭和表面猝灭效应具有很强的关联,通过惰性外延层生长可以抑制浓度猝灭。然而,在重掺杂纳米晶体中,人们对稀土离子发光的物理过程,能量传递机制以及高浓度掺杂引起的一些异常的光学特性还没有进行详细的研究。在本文中,通过分析Er³⁺重掺杂氟化物纯核和核壳结构纳米晶,探究了稀土高浓度掺杂荧光纳米晶体系的新现象和新机理,重点探索10 nm左右尺度范围下的上转换荧光特性。本文进行的具体工作如下:（1）探究了Er³⁺掺杂浓度对光学跃迁几率的影响。使用高温热分解方法合成了尺寸相近且小于10 nm的不同浓度Er³⁺掺杂NaGdF₄纳米晶,利用J-O理论计算了不同掺杂浓度下样品的自发跃迁几率。另一方面,通过热注射方法在纳米晶核上外延生长了大约3 nm的NaGdF₄惰性层,基于增强的上转换发光开展了FIR温度传感,也得出掺杂浓度与跃迁几率的依赖关系。J-O理论计算和FIR传感两种方法获得的结果高度一致。此外,还发现低掺杂浓度有利于获得更高的测温灵敏度。（2）对比分析了在980 nm和1530 nm激光激发下,Er³⁺重掺杂纳米晶的光学性能。特别地,在1530 nm激发下,Er³⁺重掺杂核壳结构纳米晶的发光强度随掺杂浓度的增加而增强,最亮的上转换发光在Na Er F₄@NaGdF₄中实现,其发光强度优于传统最佳掺杂2Er/18Yb核壳结构纳米晶的上转换发光。在Na Er F₄@NaGdF₄中,分析了纳米晶的异常温度依赖的寿命变化和异常功率依赖的光子数变化。此外,基于FIR技术,使用传统热耦合能级和非热耦合能级温度传感,得到使用非热耦合能级可以实现更高灵敏度的结论,并且还具有应用于第一生物窗口体内温度探测的潜力。（3）设计了一种Nd³⁺-Yb³⁺级联敏化Er³⁺高掺杂的新型核壳壳纳米晶,实现了高效的单带红光发射,详细的分析了其级联敏化过程的发光动力学及发光机理。在所设计的纳米晶中,高掺杂级联敏化层具有比仅使用低掺杂级联敏化层更为明亮的发射,论证了高掺杂核与高掺杂级联敏化层能量匹配的需要。此外,由于此纳米晶激发波段（800 nm）和发射波段（652 nm）都位于第一生物窗口,且该纳米晶具有较高的光热转换效率（40%）,通过与最佳掺杂2Er/18Yb纳米晶的发光性能对比,论证了这种新型纳米晶具有更深的生物组织穿透特性。最后,基于该纳米晶高效的单红光发射特性,使用FIR技术,论证了其在生物体内具有在线温度反馈功能。