Forskare under ledning av Hong Zhang vid Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences vid University of Amsterdam har kunnat ge insikt i den mikroskopiska dynamiken för energiöverföring och omvandling i dopade fosforer. Med hjälp av dedikerade nanostrukturer och datormodellering kunde de kvantitativt bestämma mekanismen för interaktion mellan hydroxylföroreningar och luminescenscentra inuti lantaniddopade fosforer. Deras fynd, som just har publicerats av tidskriften Nature Ljus:Vetenskap och tillämpningar , kommer att bidra till utvecklingen av roman, högeffektiva uppkonverteringsmaterial.

Fosforer är ämnen som kan luminescensa, avger ljus vid exponering för elektromagnetisk strålning. De kan hittas i så olika tillämpningar som katodstrålerör, Led ljus, och självlysande färger. Särskilt tilltalande är deras användning som uppkonverteringsmaterial där de avger en foton vid absorption av flera fotoner med lägre energi. Denna "jacking" av ljus från lägre till högre frekvenser kan till exempel användas för att flytta det nära-infraröda (NIR) ljuset från en ekonomisk kontinuerlig våg milliwattlaser mot högre, synliga frekvenser och även in i det ultravioletta (UV) spektralområdet. Potentiella tillämpningar av uppkonvertering är i superupplösningsspektroskopi, datalagring med hög densitet, mot förfalskning, och biologisk avbildning och fotoinducerad terapi.

De optiska egenskaperna hos uppkonverteringsfosfor är starkt beroende av förekomsten av defekter och föroreningar, som ofta har allvarliga negativa effekter på energiöverföring och omvandling. Att reda ut de underliggande interaktionsmekanismerna, dock, är en stor utmaning eftersom det är nästan omöjligt att på ett adekvat sätt kvantifiera förekomsten av defekter och föroreningar. I deras tidning i Ljus:Vetenskap och tillämpningar , Hong Zhang och medarbetare visar nu att detta dilemma effektivt kan lossas genom att tillämpa nanostrukturer.

Relevansen av hydroxylföroreningar

Forskarna studerade nanometerstora partiklar bestående av natriumyttriumfluorider dopade med lantanidjoner. Dessa är ett av de mest effektiva luminescensuppkonverteringsmaterialen, men deras prestanda lider av förekomsten av hydroxyl (OH ^- ) föroreningar. Dessa tas lätt in under materialsyntes och kan minska den olinjära uppkonverteringsprestandan upp till tre storleksordningar. Hydroxylföroreningarna förekommer både på ytan och inuti nanopartikeln.

Rollen för ytrelevant OH ^- på luminescensegenskaper har vid det här laget dokumenterats väl genom tillvägagångssätt som skalbeläggning. Att reda ut interaktionsmekanismen för intern OH ^- föroreningar, dock, har knappast rapporterats främst för att kvantifiering av deras innehåll är mycket krångligt. Hong Zhang och hans medarbetare har nu lyckats separera effekterna av ytans relevanta OH ^- och OH ^- inuti nanopartikeln på fotonuppkonverteringsdynamiken.

Med hjälp av Fourier-transform infraröd spektroskopi (FTIR) bestämde de halten av intern OH- med ett relativt fel på mindre än 15%. Utifrån detta, kombinerat med teoretisk modellering, de kunde överbrygga mikroskopiska jon-jon- och jon-föroreningsinteraktioner till makroskopiska uppkonverteringsluminescensfenomen. Detta ledde, bland andra, till en mekanistisk förklaring av fenomenet som observerats i relaterade studier att uppkonverteringsluminescensintensiteten uppvisar en exponentiell sönderfallslag med ökningen av OH ^- innehåll (se figur ovan).

Effektiv syntes av uppkonverteringsmaterial

Eftersom det var känt att syntes i en strikt torr miljö avsevärt kan öka uppkonverteringsluminescenseffektiviteten, Zhang och kollegor satte sig för att justera den interna OH ^- föroreningsinnehåll i nanopartiklarna genom selektiv torkning av olika syntessteg. De kunde således ställa in luminescensintensiteten inom ett område där den maximala intensiteten var 30 gånger större än den lägsta effektiviteten. Mer viktigt, genom att införa en FTIR-testmetod, de fann att absorptionens toppintensitet vid ~3400 cm ^-1 mätt i tungvattenmiljö kan tillförlitligt användas för att kvantitativt karakterisera OH ^- förorening som finns i nanopartikeln.

Således, med förmågan att kvantitativt justera den interna OH- och NaYF ₄ kärna/skal nanostrukturer, forskarna har utforskat den mikroskopiska dynamiken hos fotonuppkonvertering under inverkan av inre OH ^- föroreningar ur både ett experimentellt och teoretiskt perspektiv. Förutsägelsen från modellsimuleringar att både luminiscenslivslängden för sensibilisatorn Yb ³⁺ och uppkonverteringsemissionsintensiteten minskar exponentiellt med innehållet av OH ^- är väl bekräftat experimentellt, och de relevanta interaktionsparametrarna bestäms.