Zilver-Geen Polymer Microvezel voor Verbeterde Up-Conversie Optische Sensing

Samenvatting

We rapporteren een eenvoudige fabricageroute voor polymermicrovezel die up-conversie nanodeeltjes (UCNPs) ge-dopeerd met zilver (Ag) incorporeren. De resulterende LiYF₄:Yb³⁺/Er³⁺/Ag microvezel vertonen een transmissieverlies van α = 108,94 cm⁻¹ en een temperatuursensitiviteit van 0,0095 K⁻¹ bij 303 K, wat hun Ag-vrije tegenhangers (0,0065 K⁻¹) overtreft. De verbeterde prestaties komen door efficiënte foton-naar-plasmon conversie in de Ag nano-inclusies, wat de up-conversie luminescentie versterkt en de golffiltering verbetert. Dit platform biedt een laagkostige, schaalbare route naar hoogpresterende optische temperatuursensoren en fotonische componenten.

Achtergrond

Up-conversie nanodeeltjes (UCNPs) gedopeerd met lanthanide-ionen worden steeds meer benut in bio-imaging, lasers, displays en fotovoltaïca vanwege hun grote anti-Stokes verschuiving, chemische stabiliteit en weerstand tegen photobleaching. Echter, het zwakke absorptiekruissnede van lanthanide-ionen beperkt de fluorescentie-opbrengst. Het inbedden van metaalnanostructuren, met name zilver, in UCNPs of polymermatrices heeft aangetoond dat het lokale elektromagnetische velden versterkt, wat de up-conversie efficiëntie verhoogt. Hoewel Ag-gedopte UCNPs bestudeerd zijn in bulk of dunne-film vorm, blijft hun integratie in microvezel—essentiële bouwstenen voor on-chip fotonica—ononderzocht.

Experimentele en Methode Sectie

Materialen

Analytische-graad zilverpoeder, chlorofoorm, cyclohexaan, NaOH, NH₄F, en ethanol werden verkregen van Shanghai Chemical Company en zonder verdere zuivering gebruikt.

Bereiding van LiYF₄:Yb³⁺/Er³⁺ Nanodeeltjes

UCNPs werden gesynthetiseerd via thermische decompositie. Een 100 mL drie-hals fles bevatte LnCl₃ zouten (Lu:Yb:Er = 78:22:1) in 15 mL 1-octadeceen en 6 mL oleïnezuur, verwarmd tot 150 °C om de oplossing helder te maken. Na degassing werden 4 mmol NH₄F en 2,5 mmol NaOH toegevoegd aan 10 mL methanol, 30 min geroerd, waarna het mengsel verwarmd werd tot 300 °C (50 °C min⁻¹) onder Ar gedurende 1 uur. Nanodeeltjes werden gecentrifugeerd (4000 rpm), met ethanol gewassen, en gedroogd bij 60 °C gedurende 12 uur.

Fabricatie van Ag-Co-Gedopte Vezels

0,003 g Ag, 0,005 g UCNPs, en 0,6 g PMMA werden apart gedispergeerd in 15 mL, 12 mL, en 18 mL cyclohexaan of chlorofoorm. De PMMA-oplossing werd geleidelijk toegevoegd aan de Ag- en UCNP-oplossingen en 30 min geroerd tot transparantie. Een vlam-verwarmde trektechniek werd gebruikt om microvezel uit het gemengde oplossing te trekken, die daarna in segmenten gesneden werden (Fig. 1).

Fabricatieproces van Ag-co-gedopte microvezel: (a) trekken; (b) snijden.

Spectra Meting

Figuur 2 illustreert de experimentele opstelling. Microvezel werden geëxciteerd met een 980 nm CW laser (0,998 mW) en op een glassubstraat geplaatst. Een ×20 objectief (NA = 0,4) verzamelde het getransmitteerde licht, terwijl een CCD-camera emissiespectra opnam. Temperatuur-afhankelijke metingen werden uitgevoerd met een Ocean Optics spectrometer.

Experimentele opstelling voor golffiltering.

Resultaten en Discussie

Structuur en Transmissie-eigenschappen

XRD-patronen bevestigden de zuivere tetragonale LiYF₄-fase (JCPDS #17-0874). SEM-afbeeldingen (Fig. 3b) tonen gladde, uniform-diameter vezels (~6 µm). TEM en EDS (Fig. 3c-d) verifiëren homogene Ag-dispersie in de polymermatrix. XPS-spectra (Fig. 4) bevestigen de aanwezigheid van Li, Y, F, Yb, Er, en Ag, met Ag 3d bindingsenergie op 359,08 eV, wat succesvolle tri-doping aangeeft.

Karakterisering van LiYF₄:Yb³⁺/Er³⁺ en Ag-co-gedopte microvezel.

FTIR (Fig. 5a) toont karakteristieke C–H, C=O, en Ag–O trillingen, wat polymere en Ag-incorporatie bevestigt. TGA (Fig. 5b) onthult twee degradatiestappen: vochtverlies onder 333 K en polymere decompositie tussen 333–393 K, wat thermische stabiliteit tot ~332 K aangeeft.

FTIR en TGA van Ag-co-gedopte microvezel.

Fotoluminescentie-imaging (Fig. 6) demonstreert dat Ag-co-gedopte vezels groene emissie efficiënt over de hele lengte transmitteren, terwijl Ag-vrije vezels sterkere zelf-absorptie en Rayleigh-verstrooiing vertonen. Kwantitatieve analyse van intensiteit versus filteringsafstand (Fig. 7) levert verliescoëfficiënten van 108,94 cm⁻¹ (Ag) en 231,72–274,84 cm⁻¹ (Ag-vrij). Het verminderde verlies in Ag-gedopte vezels wordt toegeschreven aan verbeterde foton-naar-plasmon koppeling en strakkere modusconfinement.

Transmissieverlies vs. filteringsafstand voor Ag-co-gedopte en Ag-vrije microvezel.

Energie Niveaus en Thermische Effecten

Up-conversie spectra tonen groene banden bij 522 nm (²H₁₁/₂→⁴I₁₅/₂) en 541 nm (⁴S₃/₂→⁴I₁₅/₂) en een rode band bij ~660 nm (⁴S₃/₂→⁴F₉/₂). Deze emissies ontstaan uit opeenvolgende energiedovertraging tussen Yb³⁺ pomp-ionen en Er³⁺ activatoren.

Temperatuur-afhankelijke metingen (Fig. 9) tonen dat de fluorescentie-intensiteitsratio (FIR) tussen de twee groene banden een exponentiële relatie volgt (Eq. 2) met een lineaire fit van de natuurlijke logaritme versus 1/T. De absolute sensitiviteit (Eq. 3) bereikt 0,0095 K⁻¹ bij 303 K voor Ag-co-gedopte vezels, wat de 0,0065 K⁻¹ van Ag-vrije vezels overtreft. Deze verbetering bevestigt dat Ag nanodeeltjes de thermometrische prestaties van UCNP microvezel aanzienlijk verbeteren.

3D up-conversie spectra (Ag) en FIR vs. temperatuur.

3D up-conversie spectra (Ag-vrij) en FIR vs. temperatuur.

Conclusies

We hebben een schaalbare, laagkostige methode gedemonstreerd om zilver-ingebedde polymermicrovezel te produceren geladen met LiYF₄:Yb³⁺/Er³⁺ UCNPs. Uitgebreide structurele, optische en thermische analyses bevestigen dat Ag nano-inclusies golffiltering verbeteren, transmissieverlies verminderen, en up-conversie intensiteit verhogen, wat leidt tot een 45% verbetering in temperatuursensitiviteit bij kamertemperatuur. Deze bevindingen open een weg naar compacte, hoogpresterende optische sensoren en fotonische apparaten die plasmonisch-versterkte up-conversie benutten.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

Alle data zijn volledig beschikbaar zonder restricties.