[论文解读] 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 6

一句话总结

本研究证明，在1064 nm激发下，通过银或金纳米颗粒修饰亚微米级Nd³⁺共掺杂YAlBO₃（NdₓY₁₋ₓAl₃(BO₃)₄）颗粒，可显著增强反斯托克斯上转换发光。增强机制源于纳米颗粒界面处局域表面等离子体共振引起的加热效应，该效应增加了声子辅助能量传递，使750 nm发射带的强度实现高达巨大的提升。

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.

研究动机与目标

• 在1064 nm激发下，提升Nd³⁺共掺杂NdxY1-xAl3(BO3)4荧光粉的反斯托克斯上转换效率。
• 解决由于激发光子能量与电子跃迁能级不匹配而导致的反斯托克斯过程量子产率低的问题。
• 利用金属纳米颗粒中的局域表面等离子体共振（LSPR）实现原位加热，增强声子辅助能量传递。
• 展示一种可推广至其他基质材料的通用策略，以提升稀土共掺杂荧光粉的上转换效率。

提出的方法

• 合成不同Nd³⁺掺杂浓度（x = 0.10, 0.20, 1.00）的亚微米级NdₓY₁₋ₓAl₃(BO₃)₄颗粒。
• 通过胶体沉积法在颗粒表面修饰银或金纳米颗粒，以诱导局域表面等离子体共振（LSPR）。
• 使用1064 nm激光照射修饰后的颗粒，激发等离子体加热效应，增强声子辅助的反斯托克斯跃迁。
• 测量并分析600–880 nm波段的上转换发光光谱，以量化增强效果。
• 比较修饰与未修饰颗粒的发射强度，以分离出等离子体增强的贡献。
• 采用温度依赖的声子占据模型，解释因声子可用性增加而引起的观测增强效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 金属纳米颗粒的等离子体加热是否能增强1064 nm激发下Nd³⁺共掺杂NdxY1-xAl3(BO3)4颗粒的反斯托克斯上转换效率？
• RQ2 当激发能量低于电子跃迁阈值时，声子辅助能量传递在实现反斯托克斯跃迁中起何种作用？
• RQ3 金属纳米颗粒的类型（Ag与Au）及其分布如何影响上转换强度的增强？
• RQ4 与未修饰颗粒相比，上转换发射强度的增强程度有多大？
• RQ5 该等离子体辅助加热策略是否可推广至其他稀土共掺杂荧光粉及不同激发波长？

主要发现

• 来自Nd³⁺ {4F7/2, 4S3/2} → 4I9/2跃迁的750 nm处最强烈的上转换发光在修饰银或金纳米颗粒后表现出巨大的增强效应。
• 在600–880 nm范围内均观察到显著的强度增强，其中750 nm峰的放大最为显著。
• 增强效应归因于等离子体吸收引起的局域加热，该过程增加了声子占据数，从而促进能量传递。
• 增强幅度取决于金属纳米颗粒的类型与分布，银和金均有效，但在等离子体共振波长调谐方面表现不同。
• 结果表明，该机制是一种可扩展的非辐射能量传递方式，可在不改变基质晶体结构的前提下显著提升反斯托克斯效率。
• 该方法可推广至其他发光材料及不同激发波长，为提升上转换效率提供一种通用策略。