Kvantitativ forståelse af defekter i fosfor fra et nanoperspektiv

Forskere ledet af Hong Zhang ved Van 't Hoff Instituttet for Molekylær Videnskab ved University of Amsterdam har været i stand til at give indsigt i den mikroskopiske dynamik af energioverførsel og omdannelse i dopede fosfor. Ved hjælp af dedikerede nanostrukturer og computermodellering var de i stand til kvantitativt at bestemme mekanismen for interaktion mellem hydroxylurenheder og luminescenscentre inde i lanthanid-doterede phosphorstoffer. Deres resultater, som netop er udgivet af tidsskriftet Nature Lys:Videnskab og applikationer , vil bidrage til udviklingen af ​​roman, højeffektive opkonverteringsmaterialer.

Fosfor er stoffer, der er i stand til at luminescere, udsender lys ved udsættelse for elektromagnetisk stråling. De kan findes i så forskellige applikationer som katodestrålerør, Led lys, og lysende maling. Særligt tiltalende er deres brug som opkonverteringsmaterialer, hvor de udsender en foton ved absorption af flere fotoner med lavere energi. Denne 'jacking' af lys fra lavere til højere frekvenser kan for eksempel bruges til at flytte det nær-infrarøde (NIR) lys fra en økonomisk kontinuerlig bølge milliwatt laser mod højere, synlige frekvenser og endda ind i det ultraviolette (UV) spektrale område. Potentielle anvendelser af opkonvertering er i superopløsningsspektroskopi, datalagring med høj tæthed, bekæmpelse af forfalskning, og biologisk billeddannelse og foto-induceret terapi.

De optiske egenskaber af opkonverteringsfosfor er stærkt afhængige af forekomsten af ​​defekter og urenheder, som ofte har en alvorlig negativ effekt på energioverførsel og omdannelse. Optrævling af de underliggende interaktionsmekanismer, imidlertid, er noget af en udfordring, da det er næsten umuligt at kvantificere forekomsten af ​​defekter og urenheder tilstrækkeligt. I deres papir i Lys:Videnskab og applikationer , Hong Zhang og kolleger viser nu, at dette dilemma effektivt kan afvikles ved at anvende nanostrukturer.

Relevansen af ​​hydroxyl urenheder

Forskerne undersøgte partikler i nanometerstørrelse bestående af natriumyttriumfluorider dopet med lanthanidioner. Disse er et af de mest effektive luminescens-opkonverteringsmaterialer, men deres ydeevne lider under forekomsten af ​​hydroxyl (OH ^- ) urenheder. Disse bringes let ind under materialesyntese og kan reducere den ikke-lineære opkonverteringsydelse op til tre størrelsesordener. Hydroxylurenhederne forekommer både på overfladen og inde i nanopartiklerne.

Rollen af ​​overfladerelevant OH ^- på luminescensegenskaber er efterhånden blevet veldokumenteret via tilgange som skalbelægning. Optrævling af interaktionsmekanismen for intern OH ^- urenheder, imidlertid, er næppe blevet rapporteret, primært fordi det er meget besværligt at kvantificere deres indhold. Hong Zhang og hans medarbejdere har nu været i stand til at adskille virkningerne af overfladerelevante OH ^- og OH ^- inde i nanopartiklerne på foton-opkonverteringsdynamikken.

Ved hjælp af Fourier-transform infrarød spektroskopi (FTIR) bestemte de indholdet af intern OH- med en relativ fejl på mindre end 15%. På dette grundlag, kombineret med teoretisk modellering, de var i stand til at bygge bro mellem mikroskopiske ion-ion- og ion-urenhedsinteraktioner til makroskopiske opkonverteringsluminescensfænomener. Dette førte, blandt andre, til en mekanistisk forklaring på fænomenet observeret i relaterede undersøgelser, at opkonverteringsluminescensintensiteten udviser en eksponentiel henfaldslov med stigningen af ​​OH ^- indhold (se figur ovenfor).

Effektiv syntese af opkonverteringsmaterialer

Da det var kendt, at syntese i et strengt tørt miljø væsentligt kan øge opkonverteringsluminescenseffektiviteten, Zhang og kolleger satte sig for at justere den interne OH ^- urenhedsindholdet i nanopartiklerne gennem selektiv tørring af forskellige syntesetrin. De var således i stand til at indstille luminescensintensiteten inden for et område, hvor den maksimale intensitet var 30 gange større end den minimale effektivitet. Vigtigere, ved at indføre en FTIR-testmetode, de fandt, at absorptionsspidsintensiteten ved ~3400 cm ^-1 målt i et tungtvandsmiljø kan pålideligt bruges til kvantitativ karakterisering af OH ^- urenhed indeholdt i nanopartiklerne.

Dermed, med mulighed for kvantitativ justering af den interne OH- og NaYF ₄ kerne/skal nanostrukturer, forskerne har udforsket den mikroskopiske dynamik af foton opkonvertering under påvirkning af intern OH ^- urenheder fra både et eksperimentelt og teoretisk perspektiv. Forudsigelsen fra modelsimuleringer, at både luminescenslevetiden for sensibilisatoren Yb ³⁺ og opkonverteringsemissionsintensiteten falder eksponentielt med indholdet af OH ^- er velbekræftet eksperimentelt, og de relevante interaktionsparametre bestemmes.