Verbeterde optische temperatuursponsiviteit van Er³⁺-gedopte hexagonale NaGdF₄-glaskeramieken via Tm³⁺ co-doping

Samenvatting

Transparante hexagonale NaGdF₄-glaskeramieken gedopt met Er³⁺ of co-gedopt met Er³⁺/Tm³⁺ werden vervaardigd door smelt-kwikverkoeling. 980-nm opwekking verschuift de emissie van Er³⁺-gedopte monsters van groen naar rood naarmate de Tm³⁺-concentratie toeneemt. Het emissiespectrum, thermische kwetsingsratio, fluorescentie-intensiteitsratio, en optische temperatuurgevoeligheid varieren systematisch met de pompvermogen. De hoogste relatieve gevoeligheid (S_R) bereikt 0,001 K⁻¹ bij 334 K voor Er³⁺-enkel-gedopte monsters en 0,00081 K⁻¹ bij 292 K voor Er³⁺/Tm³⁺ co-gedopte monsters. Deze resultaten tonen een instelbare optische temperatuursponsiviteit en benadrukken de invloed van opwekkingsvermogen op de gevoeligheid van Er³⁺-gedopte NaGdF₄-glaskeramieken.

Achtergrond

Infrarood-naar-zichtbaar up-conversie (UC) in driewaardige lanthanide-gedopte materialen heeft aandacht getrokken voor infrarooddetectie, zonnecellen, en optische thermometrie [1-10]. Er³⁺ is met name aantrekkelijk voor temperatuursensing omdat zijn twee paren thermisch gekoppelde niveaus (²H₁₁/₂, ⁴S₃/₂) en (²D₇/₂, ⁴G₉/₂) temperatuurafhankelijke fluorescentie-intensiteitsratio's (FIR) vertonen [13]. Gerapporteerde maximale gevoeligheden van Er³⁺-gebaseerde UC-materialen variëren van 0,0052 K⁻¹ tot 0,0086 K⁻¹, doch de meeste studies verwaarlozen de rol van opwekkingsvermogen, dat de bezetting van thermisch gekoppelde niveaus aanzienlijk kan beïnvloeden [18-20]. NaGdF₄ is een laag-fonon, chemisch stabiele gastheer die veelbelovend UC-gedrag en temperatuurgevoeligheid voor Er³⁺ heeft getoond [23]. Echter, de impact van pompvermogen en co-doping met Tm³⁺ - die energiedoorgifte kan bemiddelen en emissie kan wijzigen - blijft onontgonnen. Deze studie onderzoekt Er³⁺ enkel-gedopte en Er³⁺/Tm³⁺ co-gedopte NaGdF₄-glaskeramieken, met focus op hoe Tm³⁺-concentratie en opwekkingsvermogen hun optische temperatuursponsiviteit wijzigen.

Methoden

Glaskeramiek-monsters met de samenstelling 70,1SiO₂–4,3Al₂O₃–1,8AlF₃–2,3Na₂CO₃–18,5NaF–(2,4-x)Gd₂O₃–0,6Er₂O₃–xTm₂O₃ (x = 0, 0,05, 0,10, 0,15, 0,20) werden bereid door smelt-kwikverkoeling. Elke 20 g batch werd gemalen, gesmolten bij 1600 °C gedurende 45 min in een korund-kruik, gegoten in messingmallen, en geanneald bij 700 °C gedurende 20 uur om kristallisatie te induceren. De resulterende transparante keramieken werden gelabeld NGF1-NGF5. Fasezuiverheid werd bevestigd door XRD (Cu Kα, 1,54056 nm), terwijl morfologie en korrelgrootte werden onderzocht door TEM en HRTEM. Luminescentie werd opgenomen met een Acton SpectraPro SP-2300 spectrometer onder 980-nm opwekking, en temperatuurafhankelijke spectra werden verkregen met een INSTEC HCS302 systeem.

Resultaten en discussie

Structurele analyse (Fig. 1) bevestigt de vorming van hexagonale NaGdF₄-nanokristallen (~30-55 nm) met duidelijke (111) roosterfranjes (0,23 nm) en XRD-pieken die overeenkomen met JCPDS 27-0667. Absorptiespectra (Fig. 2) onthullen kenmerkende Er³⁺-overgangen (378, 405, 488, 520, 652, 972, 1532 nm) en Tm³⁺-pieken bij 450 en 1206 nm. Co-doping wijzigt de 800-nm absorptie, wat gecombineerde Er³⁺-Tm³⁺ energiedoorgifte aangeeft.

Onder 980-nm opwekking tonen NGF1-NGF5 duidelijke up-conversie-emissies (Fig. 3a). Met toenemende Tm³⁺-inhoud neemt de 509-nm groene lijn af, de 542-nm groene intensiteit af, terwijl de 660-nm rode emissie initieel stijgt en daarna daalt. De rood-naar-groen intensiteitsratio (Fig. 3b) bereikt een piek en stabiliseert vervolgens, wat een instelbare kleuroutput bewijst gedreven door Tm³⁺-bemiddelde energiedoorgifte.

Temperatuurafhankelijke UC-spectra (Fig. 5) tonen aan dat de ⁴S₃/₂ groene band zwakt met toenemende temperatuur, terwijl de ²H₁₁/₂ band (509 nm) stijgt door thermische bevolking. De Boltzmann-achtige relatie tussen de ²H₁₁/₂ en ⁴S₃/₂ intensiteiten (Verg. 3) is goed gefit (Fig. 8), wat de thermisch gekoppelde aard van deze niveaus bevestigt.

Thermische kwetsingsratio's R_Q (Fig. 6) variëren met opwekkingsvermogen: bij laag vermogen (66,8 mW cm⁻²) is R_Q voor 660 nm groot, wat significante temperatuur-geïnduceerde kwetsing aangeeft, terwijl bij hoog vermogen (322,4 mW cm⁻²) het kwetsingsgedrag verschilt, wat de vermogensafhankelijkheid van de emissiedynamica benadrukt.

Log-log plots van emissie-intensiteit versus pompvermogen (Fig. 7) leveren hellingen n < 2 maar > 1 voor zowel groene (542 nm) als rode (660 nm) banden, wat een twee-fotonen UC-mechanisme bevestigt dat persistent is over het temperatuurbereik.

Relatieve gevoeligheid S_R (Verg. 4) bereikt 0,001 K⁻¹ bij 334 K voor Er³⁺-enkel-gedopte monsters en 0,00081 K⁻¹ bij 292 K voor Er³⁺/Tm³⁺ co-gedopte monsters (Fig. 9). De gevoeligheidspiek verschuift naar lagere temperaturen bij Tm³⁺-incorporatie, wat het bruikbare bereik uitstrekt naar het nabij-kamertemperatuur-domein. Gevoeligheid hangt ook af van pompvermogen: hoger vermogen vermindert doorgaans S_R, maar in co-gedopte monsters verschijnt een maximum bij ~322,4 mW cm⁻².

In vergelijking met andere Er³⁺-gebaseerde UC-thermometers, vertoont het Er³⁺/Tm³⁺/NaGdF₄-systeem competitieve of superieure gevoeligheden, toeschrijfbaar aan de grote energiescheiding (ΔE) tussen thermisch gekoppelde niveaus en het robuuste gastheerrrooster.

Conclusies

Er³⁺-gedopte en Er³⁺/Tm³⁺ co-gedopte NaGdF₄-glaskeramieken vervaardigd door smelt-kwikverkoeling tonen instelbare zichtbare emissie van groen naar rood onder 980-nm opwekking. De optische temperatuursponsiviteit - gekarakteriseerd door emissiespectra, thermische kwetsing, FIR, en gevoeligheid - hangt sterk af van zowel Tm³⁺-concentratie als pompvermogen. De maximale relatieve gevoeligheid van 0,001 K⁻¹ bij 334 K (alleen Er³⁺) en 0,00081 K⁻¹ bij 292 K (co-gedopt) demonstreert de haalbaarheid van deze materialen voor nauwkeurige optische thermometrie over 298-573 K. De bevindingen benadrukken het belang van co-doping en opwekkingsomstandigheden bij het afstemmen van UC-gebaseerde temperatuursensoren.