Starka och sammanhängande anordningar för emission av ultraviolett ljus har en enorm medicinsk och industriell tillämpningspotential, men att generera emission av ultraviolett ljus på ett effektivt sätt har varit en utmaning. Nyligen utvecklade ett samarbetande forskarlag som leds av forskare från City University of Hong Kong (CityU) ett nytt tillvägagångssätt för att generera djup-ultraviolett laser genom en "domino-uppkonvertering"-bearbetning av nanopartiklar med hjälp av nära-infrarött ljus, som vanligtvis används i telekommunikationsanordningar. Resultaten ger en lösning för att konstruera miniatyriserade högenergilasrar för biodetektering och fotoniska enheter.

I nanomaterialvärlden betyder "fotonuppkonvertering" att när nanomaterial exciteras av ljus eller fotoner med lång våglängd och låg energi, avger det ljus med kortare våglängd och högre energi, såsom ultraviolett ljus.

Utmaning att uppnå fotonuppkonvertering

Fotonuppkonvertering som kännetecknas av högenergiemission vid excitation av fotoner med lägre energi är av exceptionellt intresse bland forskare. Detta beror på att det har potential för kostnadseffektiv konstruktion av miniatyriserade anordningar för djup-ultraviolett emission, som har enorm medicinsk och industriell tillämpningspotential, såsom mikrobiell sterilisering och biomedicinsk instrumentering. Emellertid har fotonuppkonverteringsprocessen begränsad flexibilitet, eftersom den huvudsakligen förekommer i speciella lantanidjoner som består av fasta uppsättningar av energinivåer.

En forskargrupp ledd av professor Wang Feng, från institutionen för materialvetenskap och teknik, och professor Chu Sai-tak, från institutionen för fysik vid CityU, tillsammans med Dr. Jin Limin från Harbin Institute of Technology (Shenzhen), övervann hindret genom att införa en "domino upconversion"-taktik.

Särskild strukturell design av nanopartiklar

Domino uppkonvertering är som en kedjereaktion, där energi samlad i en uppkonverteringskurs triggar en annan efterföljande uppkonverteringsprocess. Genom att använda en munkformad mikroresonator, inkorporerad med specialdesignade "upconversion nanopartiklar", genererade teamet framgångsrikt högenergi, djupt ultraviolett ljusemission vid 290 nm genom excitation av lågenergiska infraröda fotoner vid 1550nm.

"Eftersom excitationsvåglängden låg i telekommunikationsvåglängdsområdet, kan nanopartiklarna lätt användas och integreras i befintliga fiberoptiska kommunikations- och fotoniska kretsar utan komplicerad modifiering eller anpassning", säger professor Wang. Resultaten publicerades i tidskriften Nature Communications , med titeln "Ultralarge anti-Stokes lasing through tandem upconversion."

Idén att konstruera "domino uppkonvertering" inspirerades av en tidigare studie av energiöverföring i kärna-skal nanopartiklar av professorerna Wang och Chu. Nanopartikelns kärna-skalstruktur möjliggör multifotonluminescensprocessen i erbium (Er ³⁺ ) joner. Genom att anpassa ett liknande syntetiskt protokoll konstruerade teamet framgångsrikt "kärna-skal-skal"-nanopartiklar genom en våtkemimetod för att utforska energiöverföringsmekanismen för lantanidjoner, inklusive thulium (Tm ³⁺ ) joner.

Donutformad mikroresonator

Genom den noggranna designen av dopningssammansättning och koncentration i olika lager eller skal av uppkonverteringsnanopartiklarna, uppnådde teamet framgångsrikt en tandemkombination av Er ³⁺ och Tm ³⁺ jonbaserade uppkonverteringsprocesser (domino uppkonvertering). I experimentet, Er ³⁺ joner som fanns i det yttre skalet reagerade på 1550 nm nära-infraröd fotonexcitation, en våglängd som ligger i telekommunikationsområdet. Genom att införliva nanopartiklarna i en munkformad mikroresonatorkavitet genererade teamet ytterligare en högkvalitativ ultraviolett mikrolaser, som demonstrerade laserverkan vid 289 nm med 1550 nm excitation.

"The upconversion nanoparticles act as 'wavelength converters' to multiply the energy of incident infrared photons," explained Professor Wang. He expects the findings to pave the way for the construction of miniaturized short-wavelength lasers and says they may inspire new ideas for designing photonic circuits. He added that the miniaturized ultraviolet laser using this domino upconversion technology can provide a platform for sensitive bio-detection, such as the detection of cancer cell secretion, by monitoring the lasing intensity and threshold, which offers great biomedical application potential in the future. + Utforska vidare

Precise antitumor strategy achieved via photo-switchable lanthanide-doped nanoparticles