Polymeermicrovezels met zilveren nanodeeltjes:een nieuw platform voor optische waarneming

Abstract

De verhoogde gevoeligheid van up-conversion luminescentie is absoluut noodzakelijk voor de toepassing van up-conversion nanodeeltjes (UCNP's). In deze studie werden microvezels vervaardigd na co-doping van UCNP's met polymethylmethacrylaat (PMMA) en zilver (Ag) oplossingen. Transmissieverliezen en gevoeligheden van UCNP's (tetrogonal-LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ ) in aanwezigheid en afwezigheid van Ag werden onderzocht. Gevoeligheid van up-conversie luminescentie met Ag (LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ /Ag) is 0,0095 K⁻¹ en teruggebracht tot (LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ ) 0,0065 K⁻¹ zonder Ag bij 303 K onder laserbron (980 nm). De UCNP-microvezels met Ag vertoonden lagere transmissieverliezen en een hogere gevoeligheid dan zonder Ag en zouden een veelbelovende kandidaat kunnen zijn voor optische toepassingen. Dit is de eerste waarneming van met Ag gedoteerde microvezel via een gemakkelijke methode.

Achtergrond

Opwaartse conversie nanodeeltjes (UCNP's) na co-doping met lanthaniden-ionen hebben veel aandacht getrokken vanwege toepassing in beeldvorming, lasermaterialen, weergavetechnologieën en zonnecellen [1,2,3]. De lage fluorescentie-emissie-efficiëntie van UCNP's kan worden veroorzaakt door de kleine absorptiecoëfficiënten van lanthanide-ionen. De dispersie op nanoschaal van metalen nanodeeltjes in polymere en anorganische substraten heeft geleid tot een grote belangstelling voor nieuwe fysische, chemische en biologische eigenschappen van de nanocomposietmaterialen [4]. Voor potentiële toepassingen van de verdere miniaturisering van elektronische componenten zijn optische detectoren, chemische en biochemische sensoren en apparaten opwindende mogelijkheden met metalen nanodeeltjes. Bovendien zijn de halfgeleiders gebruikt als sensibilisatoren voor het vergroten van het absorptiebereik, zoals CdSe, CdS, PbS, WO₃ , en Cu₂ O [5, 6]. Onder deze halfgeleiders, Cu₂ O is een interessante kandidaat vanwege zijn smalle bandafstand van ~ 2,1 eV, niet-toxiciteit, lage kosten en abundantie maar heterostructuur van Cu₂ O/ZnO is een veelbelovende materiaalstructuur. Het leidt tot een functionele integratie, nieuwe eigenschappen van het interface-effect van Cu₂ O- en ZnO-materiaal [7]. Aan de andere kant geven UCNP's superieure eigenschappen weer ten opzichte van halfgeleider kwantumdots, bijvoorbeeld de afwezigheid van autofluorescentieweefseldoordringbaarheid nabij-infrarood laserexcitatie, niet-knipperen en hoge chemische stabiliteit [8]. De synthese van met lanthanide gedoteerde materialen met bolvormige nanodeeltjes en nanostaafjes is door veel onderzoeksgroepen bestudeerd [9]. Het probleem van oxidatie van UCNP's vindt aanzienlijk plaats bij hoge temperaturen, waardoor hun toepassingen werden verminderd. Om oxidatie te voorkomen, overwint de kern/schil-structuur oxidatie, terwijl SiO₂ schil groeit rond nanokristallen. Nanokristalintegratie op chip als microstructuurlichtdetector is moeilijk. Daarom zijn microbuisjes, kwantumdot-gedoteerde nanovezels en kleurstof-gedoteerde polymeer nanodraden gebruikt in microstructurele opto-elektronica-technologie na succesvol onderzoek [10]. Dienovereenkomstig zijn nanodraden, microbuisjes en nanovezels gefabriceerd en gebruikt om het thermische detectiegedrag door verschillende onderzoeksgroepen te bespreken [11, 12].

Er is echter overwogen dat metalen nanodeeltjes (MNP's) de efficiëntie van UCNP's verbeteren. Verschillende strategieën, waaronder chemische modificatie, kristalstructuur en lokale veldaanpassing van metaal, zijn voorgesteld om de efficiëntie en gevoeligheid te verbeteren [13]. Onderzoek naar met ionen gedoteerde zeldzame aarde luminescentiematerialen voor luminescentieverbetering van metalen nanostructuur zoals Er³⁺ /Yb³⁺ co-gedoteerde bismut-kiemglazen met Ag-nanodeeltjes en Er³⁺ /Yb³⁺ co-gedoteerde β-NaLuF₄ nanokristallen die spin-coated over gouden NP's zijn gerapporteerd met inconsistente resultaten en hoge gevoeligheid [14]. Bovendien is aggregatie-geïnduceerde emissie (AIE) een onderscheidend fluorescentiefenomeen dat suggereerde dat maar weinig kleurstoffen sterkere fluorescentie kunnen uitzenden in hun vaste toestand dan in dispersie-oplossing [15,16,17]. Verschillende mechanismen, waaronder J-aggregaatvorming, conformationele planarisatie en verdraaide intramoleculaire ladingsoverdracht voor het AIE-fenomeen, zijn eerder door onderzoekers voorgesteld [18,19,20,21,22]. Bovendien hebben materialen met AIE-kenmerken meer onderzoeksaandacht getrokken voor mogelijke toepassing in verschillende velden van organische lichtemitterende diodes, chemosensing en bio-imaging [23,24,25,26,27]. Vooral de bereiding van AIE-actieve fluorescerende organische nanodeeltjes heeft onlangs de aandacht getrokken. Deze materialen die AIE-kleurstoffen bevatten, kunnen een sterke luminescentie uitstralen in een fysiologische oplossing die het door aggregatie veroorzaakte uitdovingseffect van fluorescerende organische nanodeeltjes op basis van typische organische kleurstoffen effectief overwint [28, 29]. Hoewel er veel strategieën zijn ontwikkeld voor de bereiding van AIE-actieve fluorescerende organische nanodeeltjes, heeft de bereiding van AIE-actieve door middel van gemakkelijke en effectieve multicomponentreactie (MCR) zelden aandacht gekregen vanwege de mismatch met experimentele gegevens [30,31,32,33 ,34]. De unieke AIE-eigenschappen van kleurstoffen waren dus veelbelovend voor de fabricage van ultraheldere luminescente polymere nanodeeltjes [35, 36].

In maximale experimentele studie werden poedermonsters gebruikt om de spectrale metingen uit te voeren die de zorgen over de invloed van aggregatie-interreflectie vergrootten. Daarom is het noodzakelijk om een gemakkelijke en eenvoudige strategie vast te stellen om de bovengenoemde nadelen te overwinnen. Zo werden Ag-nanodeeltjes na co-doping met UCNP's en PMMA-oplossing in microvezels gebruikt om de luminescentie te verbeteren. Er zijn echter geen resultaten beschreven die zich richten op Ag-co-gedoteerde UCNP's voor microvezels (UCNPs-MF).

Hierin presenteren we een gemakkelijke methode om microvezels te bereiden van UCNPs/PMMA met en zonder Ag-oplossingen. Vooral de fotoluminescentie-eigenschappen van Ag en de afwezigheid van met Ag gedoteerde microvezels worden bestudeerd op verschillende excitatiepunten van microvezels. Bovendien worden de UC-luminescentie-eigenschappen van een microvezel onderzocht door een 980 nm diodelaserbron bij verschillende temperaturen te exciteren met het oog op temperatuurmeting. De afhankelijkheid van de geïntegreerde FIR van temperatuur wordt verkregen en de experimentele gegevens kunnen goed worden uitgerust met een exponentiële functie. Zo wordt een enkele microvezel met overgangen 2H11/2→4I15/2 en 4S3/2→4I15/2 niveaus bij 522 en 541 nm gebruikt om de thermische gevoeligheden te berekenen.

Experimentele en methodesectie

Materialen

Het zilver (Ag) poeder, chloroform, cyclohexaan, NaOH, NH₄ F en ethanol werden gekocht bij Shanghai Chemical Company, China. Deze chemicaliën waren van analytische kwaliteit en werden zonder verdere zuivering gebruikt.

Voorbereiding van Tetrogonal-LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ Nanodeeltjes

UCNP (tetrogonaal-LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ ) werd bereid met behulp van thermische ontledingstechniek. Er werden driehalskolven van 100 ml gebruikt die zeldzame aardionen bevatten met LnCl₃ (Ln=Lu, Yb, Er) met een molverhouding van respectievelijk 78:22:1. De oplossing bevat 15 mL 1-octadeceen (ODE) en 6 mL oliezuur (OA). Het mengsel werd verwarmd tot 150°C om een pellucide oplossing te verkrijgen en afgekoeld tot kamertemperatuur na verwijdering van zuurstof en restwater. Vier millimol NH₄ F en 2,5 mmol NaOH werden langzaam toegevoegd aan een kolf die 10 mL oplossing van methanol bevatte. Om dit te bevestigen, werd fluoride volledig opgelost door een roerproces tot 30 min, waarna de bereide oplossing werd verwarmd tot 300 °C met een snelheid van 50°C/min gedurende 1 u onder een argonatmosfeer. De precipitaten werden afgescheiden met een snelheid van 4000 tpm en afgekoeld tot kamertemperatuur, gewassen met ethanol en 12 uur gedroogd bij 60°C.

Vervaardiging van Ag Co-gedoteerde vezels

In een typisch fabricageproces, 0,003 g Ag, 0,005 g tetrogonol-LiYF₄ :22%Yb³⁺ /1%Er³⁺ , en 0,6 g PMMA werden afzonderlijk gemengd in 15 ml, 12 ml en 18 ml cyclohexaan (C₆ H₁₂ ) en chloroform (CHCl₃ ) oplossing, respectievelijk. Daarna werd het mengsel van PMMA geleidelijk verdeeld in Ag- en UCNP-oplossingen en 30 min geroerd totdat een transparante oplossing werd verkregen. Een vezelsonde met een punt van enkele micron groot werd vervaardigd met behulp van de vlamverwarmde trektechniek. Nadat de gemengde oplossing op het glassubstraat was gedruppeld, werd vervolgens een vezelsonde in de gemengde oplossing gedompeld en snel teruggetrokken om de microvezels te vervaardigen. De microvezels werden vervolgens getrokken en in kleine stukjes gesneden, zoals weergegeven in Fig. 1.

Fabricageproces van Ag co-gedoteerde microvezels (a ) Trekken van microvezels uit PMMA+NPs+Ag-oplossingen. b Weergave van gefabriceerde microvezels in kleine stukjes snijden

Spectrameting

Figuur 2 toont de experimentele opstelling om de thermische en optische eigenschappen van microvezels te bestuderen. De microvezels werden belicht met behulp van een excitatiebron van 980 nm na afzetting op een glassubstraat. Om de transmissieverliezen van microvezels te meten, werd een × 20-objectief (NA = 0.4) gebruikt. De camera van het ladingsgekoppelde apparaat (CCD, ACTON) werd toegepast om emissiespectra van een microvezel te verkrijgen, en oceaanoptica-spectrometer werd gebruikt om de spectra vast te leggen voor temperatuurmeting. De excitatie van microvezels met verschillende diameters werd aangetoond met een 980 nm laserbron onder 0,998 mW laservermogen om microscopische thermische eigenschappen te bestuderen.

Experimentele opstelling van golfgeleidende verschijnselen

Resultaten en discussie

Structuur en transmissie-eigenschappen

Fasezuiverheid en kristalstructuur van UCNP's werden bestudeerd door röntgendiffractie (XRD, Rigaku Miniflex II) techniek toe te passen. De waargenomen XRD-piekpatronen (Fig. 3a) zijn goed geïndexeerd en komen overeen met JCPDS-kaart # 17-0874. Fig. 3 (b) toont scanning-elektronenmicroscopie (SEM, NOva Nano-SEM 650) afbeeldingen van een microvezel. Een van de SEM-afbeeldingen was duidelijk te zien (zie de inzet), wat suggereert dat een microvezel een uniforme diameter heeft, samen met een glad oppervlak. Voor een betere resolutie hebben we transmissie-elektronenmicroscopie (TEM, Tecnai G2F30) en energiedispersieve röntgenanalyse (EDS, Tecnai G2F30) gebruikt om individuele Ag-co-gedoteerde microvezels te onderzoeken. Figuur 3 (c, d) toont respectievelijk TEM- en EDS-beelden, die het sterke bewijs van uniforme dispersie van Ag-co-gedoteerde nanodeeltjes in een enkele microvezel bevestigen.

Karakteriseringsproces van LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ en Ag co-gedoteerde microvezels. een XRD van LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ . b SEM van Ag co-gedoteerde microvezel. c TEM Of Ag co-gedoteerde microvezel. d EDS van Ag co-gedoteerde microvezel

Bovendien werd röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS, Thermofisher Escalab 250Xi) gebruikt om de succesvolle opname van zeldzame aardionen en Ag-ionen in de LiYF₄ te bepalen. gastheermateriaal zoals getoond in Fig. 4a-f. Het XPS-enquêtespectrum (Fig. 4a) toont de aanwezigheid van Li-, Y-, F-, Yb-, Er- en Ag-elementen, en de piek bij 55,25 eV kan worden toegewezen aan de bindingsenergie van Li 1s (Fig. 4b). De pieken waargenomen bij 158,08 eV (Fig. 4c) kunnen worden toegewezen aan de Y 3d. De piek bij 684.08 eV wordt toegeschreven aan de bindingsenergie van F1s (figuur 4d). De Yb 4d- en Er 4d-pieken (Fig. 4e) kunnen worden waargenomen bij respectievelijk 186,08 en 164,08 eV. De piek bij 359,08 eV is gerelateerd aan de bindingsenergie van Ag 3d. Dit bevestigt de succesvolle tridoping van Ag-ionen in LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ nanodeeltjes [37].

XPS a enquête, b Li 1s, c Y 3d, d F 1s, e Yb en Er 4d, en f Ag 3d-spectra van LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ NP's gedoteerd met Ag

Figuur 5a toont Fourier-transformatie infraroodstraling (FTIR, Nicolet50 NTA449F3) spectra van LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ /Ag-nanodeeltjes in de regio 400–4000 cm⁻¹ . De onderzoeken werden uitgevoerd om de zuiverheid en aard van nanodeeltjes vast te stellen. De pieken waargenomen bij 3452 cm⁻¹ zijn kunnen te wijten zijn aan O-H-uitrekking en vervorming. De banden op 2925 en 2848 cm⁻¹ zijn gekoppeld aan de asymmetrische (u_as ) en symmetrische (u_s ) uitrekkende vibratie van methyleen (−CH₂ ) respectievelijk in het lange alkyl- of oleaatmolecuul. De banden op 1566 en 1469 cm⁻¹ kan worden toegewezen aan de asymmetrische (u_as ) en symmetrische (u_s ) rektrilling van de carboxylgroep, respectievelijk. De spectra bevatten een piek op 1740 cm⁻¹ als gevolg van C=O rektrilling. De piek bevindt zich op 1383 cm⁻¹ komt overeen met de C-H vervormingstrilling. De spectra bevatten ook een piek bij 910 en 669 cm⁻¹ wat te wijten is aan asymmetrische rektrillingen en Ag-O-vervormingstrillingen. Het impliceert dat FTIR-resultaten in overeenstemming zijn met literatuurwaarden [38].

een FTIR-spectra van LiYF₄ :Er³⁺ /Yb³⁺ /Ag. b TGA-spectra LiYF₄ :Er³⁺ /Yb³⁺ /Ag

Om het vormingsmechanisme van met Ag gedoteerde microvezels beter te begrijpen, werd de thermische gravimetrische analyse (TGA, NETZSCH) uitgevoerd onder een droge luchtstroom van een temperatuur van 293-393 K. In figuur 5b wordt waargenomen dat een microvezel ruwweg twee afbraakstappen vertoont. Het eerste gewichtsverlies onder 333 K kan worden toegeschreven aan verlies van geabsorbeerd vocht/met de verdamping van ingesloten oplosmiddel (H₂ O of CHCl₃ ) die onafhankelijk is van de samenstelling van het monster. In de grafiek vindt het tweede gewichtsverlies plaats van 333 K tot 393 K, wat duidelijk het polymere afbraakproces weergeeft. Daarom zijn Ag co-gedoteerde microvezels vezels op basis van polymeren die niet bestand zijn tegen een temperatuur boven 332 K [4].

Om individuele optische eigenschappen van met Ag-gedoteerde en niet-gedoteerde microvezels te onderzoeken, werd laserlicht (980 nm) van standaard optische vezel gebruikt om microvezels onder schuine hoeken ten opzichte van microvezels langs de as te belichten. Figuur 6a toont Ag co-gedoteerde microvezel (diameter ~ -6 m) die verticaal werd geëxciteerd onder een donkere achtergrond met 980 m en het bleek dat licht zich in de hele vezel verspreidde omdat Ag co-gedoteerde nanodeeltjes dienden als lichtzender. Omgekeerd geeft Fig. 6d weer zonder Ag-co-gedoteerde microvezel (diameter ~ -6,5 m) die werd geëxciteerd onder een donkere achtergrond op de bovenste positie met een 980 nm-laserbron. Het suggereert dat licht niet gelijkmatig in vezels kan doorlaten vanwege de hoge zelfabsorptie en Rayleigh-verstrooiingsverschijnselen. Een microvezel (diameter ~ 6 m) die Ag co-gedoteerde NP's bevat, vertoont een hoge emissie van groen licht dan ongedoteerde Ag (diameter ~ 6.5 m) met dezelfde excitatie van laserbron onder donker veld. Het is waar dat heldere eindpunten zonder cluster met optische golfgeleiders bedoeld zijn dat Ag co-gedoteerde microvezel nabij IR-licht absorbeert en gelijk geleidt naar eindpunten. Bovendien geven Fig. 6b en c aan dat de met Ag gedoteerde vezels met verschillende diameters (~ -15,55 en ~ 9,15 μm) op vijf verschillende posities werden geëxciteerd en groene lichtemissies vertoonden naar eindpunten. Omgekeerd werd een 980 nm laserbron toegepast om microvezels (zonder Ag NP's) te exciteren op verschillende vijf posities met verschillende diameters (~ -11,89 en 14,57 m) die worden getoond in Fig. 6e-f, wat wijst op minder emissie van groen licht naar eindpunten. De fotoluminescentie (PL) intensiteit van geëxciteerde punten tegen eindvlekken werd uitgevoerd om de golfgeleidende prestaties van microvezels (met en zonder Ag NP's) kwantitatief uit te werken [39]. We gebruikten Adobe Photoshop om spotafbeeldingen van RGB naar grijsstijlen om te zetten. Deze grijswaarden werden geëvalueerd door MATLAB te gebruiken om de overeenkomstige intensiteiten te karakteriseren. Na het normaliseren van de eindpunten van de fotoluminescentie-intensiteiten naar de aangeslagen punten, werden vervalcurven verkregen die afhankelijk waren van de voortplantingsafstand van het licht.

Fotoluminescentiebeelden met verschillende diameters van microvezels. een –c Luminescentie van Ag microfiber onder donkere achtergrond. d –f Opwinding zonder Ag-microvezel onder zwarte achtergrond

De transmissieverliezen werden gemeten met vergelijking [40]:

$$ \frac{I_{\mathrm{endpoint}}}{I_{\mathrm{O}}}=\exp \left(-\upalpha \mathrm{d}\right) $$ (1)

Hier, vgl. (1) laat zien dat de afstand van de aangeslagen vlekken toeneemt, wat resulteert in een exponentiële afname van de fotoluminescentie-intensiteit. De relatie tussen de intensiteit van de fotoluminescentie als een functie van de geleidingsafstand van vezels (~ -15,55 en ~ 9,15 m) met Ag NP's wordt getoond in Fig. 7a, b. De uitgezonden spectra werden verzameld op vijf posities langs de as van microvezels die de transmissie van laserlicht specificeert met transmissieverliescoëfficiënten α = 108.94 cm⁻¹ en 91,05 cm⁻¹ . Omgekeerd toont Fig. 7c, d de transmissieverliescoëfficiënten van microvezels (zonder Ag NP's) met een diameter van 11,89 en 14,57 m zijn ongeveer 231,72 en 274,84 cm⁻¹ , respectievelijk. Het is opmerkelijk dat wanneer het licht door Ag-co-gedoteerde microvezels wordt geleid, het kleine modusgebieden over de gehele lengte van de vezel behoudt. Het maakt een sterke interactie mogelijk tussen licht en Ag-nanodeeltjes in cascade en leidt tot lichtoverdracht met een hoge efficiëntie in vergelijking met microvezels zonder Ag. Ag-co-gedoteerde nanodeeltjes hebben een zeer efficiënte foton-naar-plasmon-conversie in golfgeleidende microvezels en vergemakkelijkten verbeterde interacties van lichte materie binnen een zeer gelokaliseerd gebied [41]. Het versnelt de mogelijkheden voor de ontwikkeling van op Ag gebaseerde fotonische componenten en apparaten met een hoge compactheid, een laag optisch stroomverbruik en kleinere afmetingen. Opgemerkt wordt dat gelijktijdige multiphoton-excitatie op grote schaal is toegepast in fluorescerende optische microscopie om een verhoogde resolutie en verminderde autofluorescentie van het specimen te tonen, evenals een grotere beelddiepte. De lage NIR-absorptiedoorsnede van multiphoton-labels vereist echter dat deze techniek wordt onderworpen aan het gebruik van ultrakort gepulseerde laser met hoog piekvermogen. In principe verschillend van gelijktijdig multifotonproces in kleurstoffen en QD's, waarbij gebruik wordt gemaakt van een virtueel energieniveau, is foton-up-conversie in UCNP's afhankelijk van de sequentiële absorptie van fotonen met lage energie door het gebruik van ladderachtige energieniveaus van lanthanide-dopingionen. Dit kwantummechanische verschil maakt UCNP-orden van grootte efficiënter dan het multifotonproces, waardoor excitatie met een goedkope laserdiode met continue golf mogelijk is bij een lage energiestraling, meestal zo laag als ∼ 10⁻¹ W.cm⁻² [42]. De microvezels (UCNPs/PMMA/Ag) hebben gunstige transmissie-eigenschappen. De voorgestelde microvezels (UCNP's / PMMA / Ag) hebben dus voordelen van eenvoudige fabricage, lage kosten, sterke plasticiteit en unieke optische eigenschappen van UCNP's, zoals een grote anti-stokesverschuiving en overvloedige emissiebanden, waardoor hun toepassingen op basis van optisch signaal verder worden ondersteund. transmissie, sensoren en optische componenten. Bijgevolg komen onze geschatte resultaten van golfgeleidende prestaties goed overeen met gerapporteerd werk [43, 44].

een , b Passende lijnen tussen fotoluminescentie (PL) intensiteit en geleidingsafstand van verschillende diameters van microvezels met Ag samen gedoteerd onder verschillende excitatiepunten. c –d Passende lijnen tussen fotoluminescentie (PL) intensiteit en geleidingsafstand van verschillende diameters van microvezels zonder Ag samen gedoteerd onder verschillende excitatiepunten

Energieniveaus en thermische effecten

Om het energieniveaudiagram van UCNP's uit te werken (Yb³⁺ /Er³⁺ ), werden twee dominante groene emissiebanden rond 522 en 541 en een rode emissieband gecentreerd op ~ -660 nm waargenomen. Deze waargenomen emissielijnen zijn afkomstig van ² H_11/2 → ⁴ Ik_15/2 , ⁴ S_3/2 → ⁴ F_9/2 , en ⁴ S_3/2 → ⁴ Ik_15/2 van Er³⁺ ionen, respectievelijk. Energieniveaus ² H_11/2 en ⁴ S_3/2 worden bevolkt door twee fotonprocessen. Voor bevolkingssysteem van Yb³⁺ /Er³⁺ ionen, Yb³⁺ ionen worden geëxciteerd door de pompen van fotonen om opeenvolgende drie niveaus van Er³⁺ te bevolken ionen die worden gedemonstreerd als ⁴ Ik_11/2 , ⁴ F_9/2 , en ² H_11/2 niveaus. Opgemerkt wordt dat de populatie van ² H_11/2 wordt verkregen uit het gegeven proces ⁴ Ik_15/2 → ⁴ Ik_11/2 (Er³⁺ ):⁴ Ik_11/2 → ² H_11/2 (Er³⁺ ) niveaus. Dit fenomeen wordt veroorzaakt door temperatuurexcitatie tussen thermisch gekoppelde niveaus. Daarom is de populatie van ² H_11/2 en ⁴ S_3/2 voldoen aan de Boltzmann-statistieken, wat resulteert in een variatie in populatiepercentages van ² H_11/2 → ⁴ Ik_15/2 en ⁴ S_3/2 → ⁴ Ik_15/2 niveaus [45]. Het mechanisme van het up-conversieproces in Er³⁺ /Yb³⁺ wordt geïllustreerd in Fig. 8.

Energieniveaudiagram van LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺

De Ag co-gedoteerde UCNP's in vezels vertoonden spectra met een laserbron van 980 nm. De up-conversion (UC) luminescentie is geschikt voor temperatuurgevoelige toepassingen. Daarom zijn afb. 9a en 10a toonden de emissiespectra van Ag en zonder Ag co-gedoteerde NP's die varieerden van 400 tot 750 nm onder een fiberlaser-excitatiebron, en spectra werden verzameld met een gemiddelde toename van 5 ° C in temperatuurregime (303-348 ° K) . Interessant is dat door de temperatuur te verhogen, de emissie-intensiteiten aanzienlijk werden verlaagd, daarom werd 0,998 mW laservermogen gebruikt om thermische effecten te vermijden, wat duidelijk het temperatuurafhankelijke gedrag aangeeft. Terwijl UCNPs-MF werd verwarmd in het temperatuurdomein van 348-303 K, werd alle fotoluminescentie hersteld naar de oorspronkelijke positie, terwijl de intensiteiten een significante afname vertoonden bij het verhogen van de temperatuur. Daarom wordt deze significante vermindering in intensiteit toegeschreven aan de escalatie van de variëteit van relatieve intensiteit die overeenkomt met verschillende multiphonon-relaxatiesnelheden tot verschillende multiphonon-relaxatiesnelheden. De luminescentie-intensiteit wordt aanzienlijk verhoogd door Ag in een microvezel onder dezelfde experimentele omstandigheden te introduceren. Doorgaans wordt warmte-energie gegenereerd door laserlicht in de buurt van het bestraalde gebied waarvan de temperatuur wordt gemeten door thermische sensoren toe te passen, om de temperatuur van het bestraalde punt met grote nauwkeurigheid te schatten. Fluorescentie-intensiteitsverhoudingstechniek is een veelzijdige techniek die veel wordt gebruikt voor temperatuurschatting. We bespraken Ag en zonder Ag co-gedoteerde vezels bij temperatuurschommelingen; populaties van ² H_11/2 en ⁴ S_3/2 volgde de Boltzmann-verdeling die resulteerde in variabele populatiepercentages van ² H_11/2 → ⁴ Ik_15/2 en ⁴ S_3/2 → ⁴ Ik_15/2 . Temperatuurmeting kan worden berekend met een intensiteitsverhouding tussen ² H_11/2 → ⁴ Ik_15/2 en ⁴ S_3/2 → ⁴ Ik_15/2 overgangen. De fluorescentie-intensiteitsverhouding (FIR)-methode kan worden uitgedrukt met de volgende vergelijking [46]:

$$ \mathrm{FIR}=\frac{I_{522\mathrm{nm}\kern0.75em }}{I_{541\mathrm{nm}}}=C\exp \left(-\frac{\Delta E }{kT}\ \right) $$ (2)

een 3D up-conversie emissiespectra van Ag co-gedoteerde microvezel onder 980 nm excitatiebron. b Ingerichte curven tussen fluorescentie-intensiteitsverhouding en temperatuur. c Gepaste gegevens tussen gevoeligheid (K⁻¹ ) en temperatuur (K) van Ag co-gedoteerde microvezel

een 3D-up-conversie-emissiespectra zonder Ag onder een excitatiebron van 980 nm. b Gepaste curven tussen fluorescentie-intensiteitsverhouding en temperatuur zonder Ag. c Gepaste gegevens tussen gevoeligheid (K⁻¹ ) en temperatuur (K) zonder Ag

Hier, ik _522nm en ik _541nm zijn de relatieve intensiteiten, C is de evenredigheidsconstante, ΔE is de energiekloof tussen 522 en 540 nm, T is de absolute temperatuur en k is de Boltzmann-constante. Bovendien, afb. 9b en 10b tonen de variatie van FIR met temperatuur; vgl. (2) heeft vastgesteld dat de waargenomen experimentele gegevens een goed lineair passend verband hebben. Het is de moeite waard om een andere belangrijke parameter te onderzoeken, namelijk het thermische detectiemechanisme van Ag- en zonder Ag-gedoteerde microvezel. Daarom is gevoeligheid (S ) kan als volgt worden geschreven [47]:

$$ {S}_{\mathrm{a}}=\frac{\mathrm{FIR}}{\mathrm{dT}}=\mathrm{FIR}\left(\frac{\Delta E}{kT^2 }\rechts) $$ (3)

Hier, S _een is de absolute gevoeligheid van Ag en zonder Ag co-gedoteerde microvezels. De curven worden getoond in Fig. 9c en 10c, maar digitale waarden (FIR, ΔE , en k ) voor Ag en zonder Ag worden verkregen door aangepaste curven gepresenteerd in Fig. 9b en 10b. Maximale sensorgevoeligheden voor LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ en LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ /Ag bleek 0,0065 en 0,0095 K^°1 . te zijn bij respectievelijk 303 K. De gevoeligheden van de optische temperatuursensor in verschillende gastheermaterialen worden vermeld in Tabel 1. Hoewel andere gevoeligheden een hogere waarde hebben in vergelijking met zonder Ag UCNP's, LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ /Ag is superieur aan hostmaterialen.

Dit kan verband houden met de hoogste gevoeligheid van andere gastheermaterialen, zoals weergegeven in tabel 1. Verder hebben we waargenomen dat de gevoeligheid van LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ /Ag bij 303 K is ook hoger dan LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ gemanifesteerd tot een zeer efficiënte foton-naar-plasmon-conversie van Ag-nanodeeltjes in microvezels. De Ag-co-gedoteerde microvezels zijn intrinsiek immuun voor fotobleken, wat een zeer stabiel doteringsmiddel voor optische detectie opleverde. Het suggereert dat Ag co-gedoteerde vezels vanwege significante detectie-eigenschappen geschikt zijn voor temperatuurherkenning. Als gevolg hiervan is het gebruik van Ag-nanodeeltjes in een microvezel gunstig om de luminescentie te vergroten en om thermische detectie-eigenschappen aan te passen, wat een veelbelovende gevoelige temperatuursensor suggereert.

Conclusies

Samengevat, tetrogonaal-LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ werden bereid via thermische ontledingsmethode en vezels werden vervaardigd na co-doping van PMMA-oplossing met Ag en UCNP's. Succesvolle Ag-opname in UCNP's werd ondersteund door SEM-, TEM-, EDS-, XPS-, FTIR- en TGA-analyse. De Ag co-gedoteerde polymeermicrovezels met een golfgeleidende excitatiebenadering en aangetoond potentieel gebruik in thermische sensoren werden onderzocht. De intensiteitsafhankelijke temperatuurgevoeligheid van Ag-microvezel (0,0095 K^°1 ) is hoger dan ongedoteerd Ag (0,0065 K^°1 ) bij 303 K, zijn de voorgestelde met Ag-gedoteerde microvezels potentiële kandidaten voor het upgraden van op intensiteit gebaseerde temperatuurgevoeligheid bij kamertemperatuur, wat nieuwe kansen biedt voor het ontwikkelen van compacte fotonische en plasmonische apparaten met een laag optisch vermogen. Bij de ontwikkeling van een nieuw gebruikte methode van microvezels met gespecificeerde eigenschappen, kunnen aanzienlijke verbeteringen in de verbetering van de up-conversie mogelijk zijn, wat leidt tot een efficiëntere up-converter, waardoor veel van de technologische toepassingen van deze materialen mogelijk worden.