[논문 리뷰] Metallic nanoparticles-decorated NdxY1-xAl3(BO3)4 sub-micrometric particles to enhance anti-Stokes excitation performance

Eloísa G. Hilário, Tatiana Habib외 9명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 20.

Luminescence Properties of Advanced Materials인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 1064 nm 조명 조건에서 서브마이크로미터 크기의 Nd³⁺ 도핑된 YAlBO₃ (NdₓY₁₋ₓAl₃(BO₃)₄) 입자를 silver 또는 gold 나노입자로 장식함으로써 반스토크스 업컨버전 발광이 크게 향상됨을 보여준다. 향상 효과는 나노입자 인터페이스에서 국소 표면 플라스몬 공명에 의해 유도된 가열로 인해 발생하며, 이는 진동수 보조 에너지 전달을 증가시켜 750 nm 발광 밴드에서 기하급수적인 강도 증가를 초래한다.

ABSTRACT

In the anti-Stokes excitation of trivalent rare-earth ions (RE3+), the excitation photons energy is smaller than that of a given absorption transition, and the energy mismatch can be compensated by phonons annihilation from the host lattice. Since the phonon occupation number increases with temperature, heating the system generally increases the efficiency of anti-Stokes excitation. Here, we exploited the intrinsic heating associated with light-to-heat conversion in the interaction of excitation laser light with metallic nanoparticles (Ag or Au) on the surface of submicrometric particles of NdxY1.00-xAl3(BO3)4 (x = 0.10, 0.20, and 1.00) in order to enhance the efficiency of the anti-Stokes excitation at 1064 nm. Several upconversion emissions are observed from 600 nm to 880 nm, the most intense being at 750 nm due to the Nd3+ transition {4F7/2, 4S3/2} - 4I9/2. Giant enhancements are demonstrated, when compared to undecorated NdxY1.00-xAl3(BO3)4 particles. The present results can be expanded to other luminescent materials as well as excitation wavelengths.

연구 동기 및 목표

• 1064 nm 조명 조건에서 Nd³⁺ 도핑된 NdxY1-xAl3(BO3)4 phosphor의 반스토크스 업컨버전 효율을 향상시키기 위해.
• 자기 전이 에너지와 흡수된 광자의 에너지 사이의 불일치로 인해 반스토크스 과정의 양자 수율이 낮은 문제를 해결하기 위해.
• 금속 나노입자에서의 국소 표면 플라스몬 공명(LSPR)을 활용하여 현장 내 가열 및 진동수 보조 에너지 전달 향상을 위해.
• 이 Specific한 주재료에 국한되지 않는 희토류 도핑된 phosphor에서 업컨버전 효율을 향상시키는 일반화 가능한 전략을 제시하기 위해.

제안 방법

• Nd³⁺ 도핑 농도를 다양하게 조절한 서브마이크로미터 크기의 NdₓY₁₋ₓAl₃(BO₃)₄ 입자를 합성함 (x = 0.10, 0.20, 1.00).
• 콜로이드성 침착을 통해 입자 표면에 silver 또는 gold 나노입자를 장식하여 국소 표면 플라스몬 공명(LSPR)을 유도함.
• 1064 nm 레이저를 조사하여 플라스모닉 히팅을 유도하고 진동수 보조 반스토크스 전이를 강화함.
• 600–880 nm 범위에서 발생하는 업컨버전 루미네센스 스펙트럼을 측정하고 분석하여 향상 효과를 정량화함.
• 장식된 입자와 장식되지 않은 입자의 발광 강도를 비교하여 플라스모닉 향상 기여도를 분리함.
• 온도 의존성 진동수 점유 모델을 사용하여 증가한 진동수 가용성에 의해 관찰된 향상 효과를 설명함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 금속 나노입자에서 유래한 플라스모닉 히팅이 1064 nm 조명 조건에서 Nd³⁺ 도핑된 NdxY1-xAl3(BO3)4 입자에서 반스토크스 업컨버전 효율을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 흡수 에너지가 전자 전이 임계값 이하일 경우 진동수 보조 에너지 전달이 반스토크스 전이를 가능하게 하는 역할은 무엇인가?
• RQ3 금속 나노입자의 종류 (Ag 대비 Au)와 분포가 업컨버전 강도 향상에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ4 장식된 입자 대비 업컨버전 발광 강도는 어느 정도 향상될 수 있는가?
• RQ5 이 플라스모닉 히팅 전략은 다른 희토류 도핑된 phosphor 및 다양한 흡수 파장에 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• Nd³⁺의 {4F7/2, 4S3/2} → 4I9/2 전이에 기인한 750 nm에서의 가장 강한 업컨버전 발광이 Ag 또는 Au 나노입자 장식으로 인해 기하급수적인 향상이 관찰됨.
• 600–880 nm 범위 전역에서 뚜렷한 강도 향상이 관찰되었으며, 특히 750 nm 피크에서 가장 두드러진 증폭이 발생함.
• 향상 효과는 플라스모닉 흡수에 의해 유도된 국소 가열에 기인하며, 이는 진동수 점유를 증가시켜 에너지 전달을 촉진함.
• 향상 정도는 금속 나노입자의 종류와 분포에 따라 달라지며, Ag와 Au 모두 효과적이지만 플라스모닉 공명 조정에서 차이를 보임.
• 결과는 주재료의 결정 구조를 변화시키지 않고도 비방사성 에너지 전달 메커니즘을 통해 반스토크스 효율을 향상시킬 수 있음을 보여줌.
• 이 전략은 다른 루미네센트 물질 및 다양한 흡수 파장에 적용 가능하여 업컨버전 효율 향상에 대한 일반적인 전략을 제공함.