[論文レビュー] Metallic nanoparticles-decorated NdxY1-xAl3(BO3)4 sub-micrometric particles to enhance anti-Stokes excitation performance

Eloísa G. Hilário, Tatiana Habib+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2023

Luminescence Properties of Advanced Materials被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、1064 nm励起下で、銀または金ナノ粒子で修飾されたサブミクロンサイズのNd³⁺ドープYAlBO₃（NdₓY₁₋ₓAl₃(BO₃)₄）粒子が、抗ストークス上変換発光を顕著に増強することを示している。増強効果は、ナノ粒子界面における局所表面プラズモン共鳴誘発加熱によって生じ、フォノン補助エネルギー移動が促進され、750 nm発光帯域で巨大な強度増幅が達成される。

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.

研究の動機と目的

• 1064 nm励起下でのNd³⁺ドープNdxY1-xAl3(BO3)4蛍光体における抗ストークス上変換効率の向上を目的とする。
• 励起光子と電子遷移のエネルギー不一致に起因する抗ストークス過程の低量子収率を解消することを目的とする。
• 金属ナノ粒子における局所表面プラズモン共鳴（LSPR）を活用し、イン・サイト加熱とフォノン補助エネルギー移動の増強を実現することを目的とする。
• 特定の母体材料に限定されない、レアアースドープ蛍光体における上変換効率を向上させる汎用的戦略の提示を目的とする。

提案手法

• Nd³⁺ドーピングレベルを変化させた（x = 0.10, 0.20, 1.00）サブミクロンサイズのNdₓY₁₋ₓAl₃(BO₃)₄粒子の合成。
• コロイダル堆積法を用いて、局所表面プラズモン共鳴（LSPR）を誘発するため、銀または金ナノ粒子を粒子に修飾。
• 1064 nmレーザーを照射し、プラズモン加熱を誘発し、フォノン補助抗ストークス遷移を強化。
• 600–880 nmの範囲で測定・分析した上変換発光スペクトルを用いて、増強効果を定量的評価。
• 修飾済みおよび未修飾粒子の発光強度を比較し、プラズモン増強寄与を分離。
• 温度依存フォノン占有モデルを用いて、増加するフォノンの可用性による観察された増強を説明。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属ナノ粒子からのプラズモン加熱が、1064 nm励起下でNd³⁺ドープNdxY1-xAl3(BO3)4粒子における抗ストークス上変換効率を向上させ得るか？
• RQ2 励起エネルギーが電子遷移閾値未満である場合、フォノン補助エネルギー移動が抗ストークス遷移を可能にする役割は何か？
• RQ3 金属ナノ粒子の種別（Ag対Au）および分布が、上変換強度増強に与える影響は何か？
• RQ4 未修飾粒子と比較して、上変換発光強度はどの程度増強されるか？
• RQ5 このプラズモン補助加熱戦略は、他のレアアースドープ蛍光体および励起波長に一般化可能か？

主な発見

• Nd³⁺ {4F7/2, 4S3/2} → 4I9/2遷移に起因する750 nm発光帯域が、銀または金ナノ粒子の修飾により、巨大な増強を示した。
• 600–880 nmの範囲で顕著な強度増強が観察され、特に750 nmピークが最も顕著に増幅された。
• 増強効果は、プラズモン吸収に起因する局所的加熱に起因し、フォノン占有が増加してエネルギー移動が促進されたことによる。
• 増強の大きさは金属ナノ粒子の種別および分布に依存しており、AgおよびAuともに有効であったが、プラズモン共鳴のチューニング特性に差異が見られた。
• 本研究は、母体結晶構造を変更せずに非放射的エネルギー移動メカニズムを用いて抗ストークス効率を向上させることを示した。
• 本戦略は他の発光材料および励起波長へも適用可能であり、上変換効率を向上させる汎用的戦略を提供する。