Hydrothermale Syntese van 19 nm Sc₂O₃:Er³⁺,Yb³⁺ Nanopartikelen met 4x Superieure Rode Upconversie Luminescentie

Samenvatting

We rapporteren een eenvoudige oleïnezuur-gemedieerde hydrothermale route om ~19 nm Sc₂O₃:Er³⁺,Yb³⁺ nanopartikelen (NPs) te synthetiseren. Röntgendiffractie, TEM, en upconversie luminescentie (UCL) metingen bevestigen een kubieke bixbyiet host met uitstekende kristalliniteit. Onder 980 nm excitatie vertonen de hydrothermale (HT) monsters een viervoudige toename in rode UCL vergeleken met solvothermale (ST) tegenhangers bij identieke dopantniveaus. De verbetering wordt toegeschreven aan verminderde oppervlakte –OH groepen en verlengde levensduiden, wat leidt tot hogere kwantumefficiëntie. Vermogens-afhankelijke studies onthullen hellingen van 2,5 (rood) en 2,1 (groen) in log I vs. log P plots, wat de participatie van drie-fotonen processen bij lage pompdichtheden aangeeft. De HT Sc₂O₃:Er³⁺,Yb³⁺ NPs zijn dus veelbelovende kandidaten voor laag-vermogen NIR-naar-zichtbaar upconversie toepassingen in biomedische en imaging toepassingen.

Inleiding

Infrarood-naar-zichtbaar upconversie is centraal voor next-generatie lasers, zonneconcentratoren, en bio-imaging. Co-doping Er³⁺ met hoge-concentratie Yb³⁺ levert het meest efficiënte energie-overdracht (ET) upconversie systeem, waar 980 nm fotonen geabsorbeerd door Yb³⁺ worden doorgestuurd naar Er³⁺, producerend groene (≈550 nm) en rode (≈660 nm) emissie. Het selecteren van een oxide host met hoge thermische, mechanische, en chemische stabiliteit - zoals kubieke Sc₂O₃ - kan prestaties verder verbeteren door de korte Sc-Sc bindinglengte, wat Yb³⁺→Er³⁺ ET versnelt.

Experimenteel

Monsterbereiding

Sc₂O₃, Er₂O₃, en Yb₂O₃ (≥99,9%) werden opgelost in gedilueerde HNO₃, gemengd met absolute ethanol (20 mL) bij stoichiometrische verhoudingen, en geroerd om een heldere oplossing te vormen. Een 2 mL NaOH oplossing werd druppelgewijs toegevoegd, gevolgd door 1 mL oleïnezuur en vigoureus roeren gedurende 1-2 uur. De suspensie werd geseald in een 50 mL Teflon-gevoelde autoklaaf en verhit bij 180 °C gedurende 24 uur. Na afkoeling werd het neerslag gewassen, gedroogd bij 80 °C, en geanneald bij 700 °C gedurende 2 uur. Voor vergelijking werden identieke stoichiometrie monsters bereid via een solvothermale (ST) route onder dezelfde annealcondities.

Karakterisering

Fasezuiverheid werd geverifieerd door Cu-Kα XRD (Rigaku D/Max IIA). TEM (JEM-2000EX, 200 kV) onthulde monodisperse spheren met een gemiddelde diameter van 19 ± 2 nm. UCL-spectra werden opgenomen met een Hitachi F-7000 spectrometer, geëxciteerd door een 980 nm diode laser (≤3 mW mm⁻²). FT-IR spectra (Nicolet IS50) bevestigden de verwijdering van oppervlakte hydroxyle. Levensduurmetingen gebruikten een OPO bij 980 nm en een Tektronix TDS 3052 oscilloscoop.

Resultaten en Discussie

Structurele en Morfologische Analyse

XRD patronen matchten de kubieke bixbyiet structuur (JCPDS 84-1884). Toenemende Yb³⁺ inhoud verschuifde pieken naar lagere hoeken, wat roosteruitdijting weerspiegelt door de grotere ionische straal van Yb³⁺. TEM beelden (Fig. 2) bevestigden uniforme 19 nm spheren, een grootte optimaal voor cellulaire opname.

Upconversie Luminescentie

HT monsters tonen aanzienlijk sterkere UCL dan ST tegenhangers. Rode emissie bij 660 nm is verhoogd met een factor 4 (Fig. 3). Dit is verrassend omdat kleinere deeltjes meestal zwakkere UCL vertonen, wat aangeeft dat oppervlaktechemie en langere geëxciteerde-toestand levensduiden de verbetering domineren. FT-IR spectra (Fig. 4) tonen verminderde –OH absorptie in HT monsters, wat multi-fonon relaxatie (MPR) verliezen vermindert.

Energie-overdracht Mechanisme

Vermogens-afhankelijke studies leveren hellingen n = 2,5 (rood) en n = 2,1 (groen) in log I vs. log P plots, wat de betrokkenheid van drie-fotonen processen bevestigt naast de typische twee-fotonen Yb³⁺→Er³⁺ ET. De rode emissie ontstaat uit de reeks: Yb³⁺(²F₅/₂)→Er³⁺(⁴I₁₁/₂) (ET ①), gevolgd door MPR naar ⁴I₁₃/₂ en een kruis-relaxatie terug-overdracht (CRB) om ⁴F₉/₂ te populariseren (ET ②). De groene emissie ontstaat uit sequentiële ET ③–ET ⑤, met additionele kruis-relaxatie tussen Er³⁺ ionen.

Levensduuranalyse

Vervalkrommen voor zowel rode als groene overgangen zijn langer in HT monsters (Fig. 10), wat verminderde oppervlakte quenching en hogere kwantumopbrengsten weerspiegelt. De overeenkomst van levensduiden voor ⁴F₉/₂ en ⁴S₃/₂ overgangen ondersteunt de CRB-gedreven populatie van ⁴F₉/₂.

Vergelijking met Andere Sesquioxiden

Sc₂O₃ hosts leveren sterkere UCL dan Y₂O₃ en Lu₂O₃ onder identieke condities (Fig. 11). De kortere Sc-Afstand (3,27 Å) en sterkere kristalveld leiden tot een rode verschuiving (~8 nm) van de ⁴F₉/₂ emissie ten opzichte van Y₂O₃, wat grotere Stark-splitsing aangeeft.

Conclusies

We hebben aangetoond dat oleïnezuur-gemedieerde hydrothermale synthetisering ~19 nm Sc₂O₃:Er³⁺,Yb³⁺ nanopartikelen produceert met viervoudig sterkere rode upconversie luminescentie dan solvothermale equivalenten. De verbeterde prestaties stammen van geminimaliseerde oppervlakte hydroxyle, verlengde levensduiden, en efficiënte Yb³⁺→Er³⁺ energie-overdracht, inclusief drie-fotonen paden. Deze NPs vertonen superieure kwantumefficiëntie, wat ze ideaal maakt voor laag-vermogen NIR-naar-zichtbaar toepassingen in bio-imaging en optische sensing.