up-konverziós

  • elemeket
  • absztrakt
  • bevezetés
  • Eredmények és vita
  • A fázis tisztasága, szerkezete és morfológiája
  • Az Er 3+/Yb 3+ együtt adalékolt NaNbO 3 nanokristályok MUL tulajdonságai
  • következtetések
  • mód
  • Az anyagok szintézise
  • Jellemzési módszerek
  • További információ
  • Word dokumentumok
  • További információ
  • Hozzászólások

elemeket

  • Anyagtudomány
  • Anyagok nanomérlegekhez

absztrakt

Ebben a munkában megmutatjuk, hogy a NaNb03: Er 3+/Yb 3+ nanoanyagok lumineszcenciája mágneses mezővel és az átalakítás intenzitásának körülbelül 2-szeres növekedésével modulálható az Er3 esetében. +: 4 S 3/2 → 4 I 15/2, 30 ° C-on és kb. 5, 4 az Er 3+ esetében: 4 F 9/2 → 4 I 15/2, 20 ° C-on kapott. A megnövekedett, felfelé irányuló lumineszcencia értelmezése különös tekintettel a 4 I 11/2/4 I 13/2 Er3 + ionok sugárzás-mentességének javulására, valamint a spin-orbitális kötésre (azaz a "keverési" hatásra) a kristálytérben egy külső mágneses tér által. Eközben a spektrum állandó tágulását figyeltük meg a növekvő mágneses térerősség mellett, ami a mágneses mező okozta "keverési" hatásnak és az alsávok g-tényezőjének különbségének tulajdonítható. Ennek a vezérelhető optikai-mágneses kölcsönhatásokkal rendelkező kétfunkciós anyagnak számos lehetséges alkalmazása van, például optikai mágneses tér detektálása stb. .

A kétfunkciós magneto-optikai anyagok egyre nagyobb figyelmet kaptak nagy pontosságú kommunikációban, mágneses rezonancia képalkotásban (MRI), célzásban vagy gyógyszerhordozókban, repülőgép-vezetésben és optikai mágneses tér detektálásában való lehetséges alkalmazásuk miatt, mivel képesek detektálni különböző modellek: optikailag és mágnesesen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. A hagyományos magneto-optikai bifunkcionális anyagokat az optikai anyagok és a mágneses anyagok kombinálásával állítják elő, ami az optikai és a mágneses fázisok szétválasztásához vezet, nagyon nehéz megvalósítani az optikai és mágneses tulajdonságok közötti kölcsönhatást (pl. Az optikai tulajdonságok mágneses tér általi hangolása) ) 8, 9, 10, 11. A ritkaföldfém ionokkal adalékolt (RE) anyagok ideális jelöltek ezekhez a funkciókhoz, mivel gazdag optikai frekvenciájú, 4 f energiaszinttel rendelkeznek, a mágneses-optikai kölcsönhatások hangolhatók külső mágneses teret alkalmazva és kiváló fotostabilitásuk 12, 13, 14, 15,

Számos közelmúltbeli munka azt mutatja, hogy a RE-adalékolással a magneto-optikai kölcsönhatások különböző anyagokban egyszerre figyelhetők meg, például Er 3+ -dopolt nano-üveg-kerámia 8, YVO 4: Er 3+ 16, 17, Gd203: Er 3+ Yb 3+ 11, 18, NaGdF4: Er 3+, Yb 3+ 19, 20, Nd3 + együtt adalékolt NaGdF4: Er 3+, Yb 3+ nanokristályok 21 stb. Ezekben az anyagokban a RE ionemissziós sávok lumineszcencia intenzitása fokozatosan csökken (vagy növekszik) az alkalmazott mágneses tér növekedésével (vagy csökkenésével). Ezenkívül a NaNbO 3 perovszkit szerkezettel rendelkezik, és kiváló tulajdonságokkal rendelkezik, mint például piezoelektromos, ferroelektromos, optoelektronikai, nemlineáris optika és hasonlók ezekhez a szubsztrátokhoz képest. Továbbá tanulmányoztuk a különféle morfológiájú és méretű NaNbO3 mikroNanokristályok optikai második harmonikus generációját (SHG), amelyek az SHG 22 erős nemlineáris reakcióit mutatták. Előnyei miatt és kutatási bázisunk alapján a NaNbO 3-ot választottuk gazdaszervezetként a klasszikus felkonverziós Er 3+/Yb 3+ ionpár kezelésére, amely az alacsony energiájú infravörös fotonokat nagy energiájú láthatóvá tudja alakítani fény.

Eredmények és vita

A fázis tisztasága, szerkezete és morfológiája

( a ) NaNbO 3 és NaNbO 3 XRD mintázata: 2% Er 3+, 20% Yb 3+ nanokristály. ( b ) A köbös NaNbO3 kristályszerkezete. ( c ) NaNb03 nanokristályok TEM képe. (d) NaNbO 3 nanokristályos méreteloszlás.

Teljes méretű kép

Az Er 3+/Yb 3+ együtt adalékolt NaNbO 3 nanokristályok MUL tulajdonságai

A 2. ábra a külső mágneses mező (40 T-ig) növelésének hatását mutatja az Er 3+ MUL tulajdonságaira: 4 S 3/2 → 4 I 15/2 és 4 F 9/2 → 4 I 15/2 átmenetek NaNb03-ban: nanokristályok 2% Er 3+, 20% Yb 3+ 77 K emissziós spektrumon [(a), (b) integrált lumineszcencia intenzitások]. A mágneses mező az izgalmas sugárzással párhuzamos irányban van. A sugárzott sugárzást az alkalmazott mágneses térrel és az izgalmas sugárzással párhuzamos irányban figyeljük. Mágneses tér hiányában ez a minta nagyon erős sugárzást bocsát ki az 530-570 nm és 642-685 nm emissziós sávokkal 976 nm lézer gerjesztéssel (

150 mW teljesítmény), amely 4 S 3/2 → 4 I 15/2 és 4 F 9/2 → 4 I 15/2 ionátmeneteknek felel meg Er3 +, illetve 16, 17, 21. Az Yb 3+ ionok érzékenyítőként hatnak az Er 3+ ionokra. Mindkét emissziós sáv integrált lumineszcencia intenzitása először növekszik az alkalmazott mágneses mezőkkel, majd az alkalmazott mágneses mezők növekedésével csökken. Az integrált lumineszcencia-intenzitás Er 3+: 4 S 3/2 → 4 I 15/2 az alkalmazott érték kb. 200% -ára nőhet az alkalmazott mágneses mezőben 30 T-ig, az integrált lumineszcencia-intenzitás pedig Er 3+: 4 F 9/2 → 4 I 15/2 az alkalmazott mágneses térben az eredeti érték hozzávetőlegesen 540% -ára növekedhet 20 T-ig. A 2. ábrából jól látható, hogy az elektronikai héj 4 fn átmeneti kibocsátása (4 S 3/2 → 4 I 15/2 és 4 F 9/2 → 4 I 15/2) Er 3+ ionok hatékonyan hangolhatók az alkalmazott mágneses tér 77 K-os változtatásával.

A külső pulzáló mágneses mezők (40 T-ig) hatása a MUL 4 S 3/2 → 4 I 15/2 és 4 F 9/2 → 4 I 15/2 Er 3+ ionátmenetek (gerjesztett) tulajdonságaira a 976 nm-es lézer) Na3b3-on egyidejűleg lerakódott NaNb03 Er 3+/Yb 3+ nanokristályaiban [ a ) emissziós spektrumok, b ) integrált lumineszcencia intenzitások].

Teljes méretű kép

A "keverő" hatás az állapotok keverése mágneses mező segítségével. Ez a hatás csak olyan sűrített anyagban jelentkezik, amelyben az atomi állapotokat kristályos mező választja el egymástól. Ezenkívül az Er 3+ átmenet Stark alszintjeire gyakorolt ​​"keverési" hatás tanulmányozása érdekében: 4 S 3/2 → 4 I 15/2 és 4 F 9/2 → 4 I 15/2 a mágneses mezőben, az emissziós sávok csúcsait több Gauss-lerakódáshoz igazítják és elemzik. Az Er 3+ emissziós sáv: 4 S 3/2 → 4 I 15/2 három csúcsra (542 nm, 547 nm és 553 nm) és az Er 3+ emissziós sávra van felszerelve: 4 F 9/2 → 4 I 15/2 sa két csúcsra helyezzük 658 és 671 nm-en. Meghatározzuk az integrált csúcsintenzitások sebességét a 4 S 3/2 → 4 I 15/2 kereszteződés 553 nm-nél és 542 nm-nél, a 4 F 9/2 → 4 I 15/2 csatlakozásnál pedig 671 nm-nél és 658 nm-nél., ezek az R = I (553 nm, 3. csúcs)/I (542 nm, 1. csúcs) és R = I (671 nm, 5. csúcs)/I (658 nm, 4. csúcs) indexek, amelyek felhasználhatók A "keverés" hatásának elemzése a Stark alszinteken az Er 3+ átmenetnél: 4 S 3/2 → 4 I 15/2 és 4 F 9/2 → 4 I 15/2 különböző mágneses mezőkben, amint az a 3. ábrán látható. 3. A "keverési" hatás (spin-orbitális kötés kölcsönhatás) külső energiát (AE) okozhat az alkalmazott nem degenerált energiaszinteknél az alkalmazott mágneses mezőkben, amelyet a következő egyenlet írhat le (a kapcsolódó származékot a a függelék) 25:

Teljes méretű kép

( a, c ) emissziós spektrumok 4 S 3/2 → 4 I 15/2 ( a ) és 4 F 9/2 → 4 I 15/2 ( c ) a NaNb03 nanokristályok Er3 + -ionjainak átmenetei különböző mágneses mezőkbe 77 K-nál ( b, d ) Az energia változásának függése a mágneses mezőtől az emissziós sáv 4 S 3/2 → 4 I 15/2 átmenetéhez 611 nm-en ( b ) és 4 F 9/2 → a 4 I 15/2 emissziós sáv közepe 671 nm-en ( d ).

Teljes méretű kép

ahol Δσ a hullámszám energiájának változása (cm −1), ΔE1 és ΔE2 a mágneses tér átmenete előtti és utáni külső energia.

A (2) egyenlet azt mutatja, hogy a Stark alszintek közötti energiarés a mágneses tér növekedésével növekszik, a felső részsávok az energiaszintdiagramban magasabb pozícióba mozognak, míg az alsó részsávok az alsó helyzetbe kerülnek, ami az emissziós sáv növekedése. Az Er 3+: 4 S 3/2 → 4 I 15/2 és 4 F 9/2 → 4 I 15/2 átmenetekhez NaNbO 3 nanokristályokban az emissziós sáv helyzetének változása és a mágneses összefüggések a térerősséget a 2. ábra mutatja. 4 (b, d). Az energiaváltozás hatása a mágneses tér intenzitására nem lineáris az alkalmazott mágneses mezőkben, ami kissé ellentmond a (2) egyenlet szerinti lineáris relációnak. Ez a nemlineáris függés a Lande-variációnak tulajdonítható

Az I UP up-konverzió emissziós intenzitása arányos az IR IR infravörös gerjesztési intenzitás n-edik erőjével, amely:

ahol n a ritkaföldfém-ionok gerjesztéséhez szükséges szivattyúfotonok száma az alapállapotból a 27, 28 kibocsátó állapotba .

Teljes méretű kép

További információk az Er 3+ ionok NaNbO 3-ban történő konverziós lumineszcencia folyamatairól: Er 3+/Yb 3+ nanokristályok, bomlási görbék 4 S 3/2 → 4 I 15/2 és 4 F 9/2 → 4 I 15/2 Az Er3 + ionátmeneteket 976 nm-es gerjesztésnél mérjük. Amint a 6. ábrán látható, az Er 3+ bomlási görbék (A exc: 976 nm) jól illeszkedhetnek egyetlen exponenciális függvénybe, például 29, 30:

Teljes méretű kép

ahol I és I 0 a lumineszcencia intenzitása a ta 0 időpontban, A állandó, t idő és τ a kitevő élettartamát jelenti. Az Er3 + ionok 4 S3/2 és 4F 9/2 állapotának élettartama NaNb03: Er3 +/Yb 3+ nanokristályok esetében 40 és 61 μs.

A mágneses hangolás lehetséges lumineszciós folyamatait egy külső mágneses mező alatt javasoljuk, amint azt a 7. ábra mutatja. 4 S 3/2 → 4 I 15/2 emisszió és 4F 9/2 → 4 I 15/2 Er 3+ ionok nanokristályokban NaNb03: Az Er 3+/Yb 3+ kétfoton folyamat. A helyszimmetria csökkenése azt eredményezi, hogy a 4S3/2 multiplett két Kramer-dublettre oszlik, amelyeket a teljes J = 3/2 és 4F impulzus ◽ ± 1/2> és ◽ ± 3/2> vetületei jellemeznek. A 9/2 multiplett öt Kramers-dublettre oszlik, amelyeket a project ± 1/2>, ◽ ± 3/2>, ◽ ± 5/2>, ◽ ± 7/2> és ◽ ± 9/2> vetületek jellemeznek. teljes impulzus J = 9/2 (ebből néhány Stark-alszint kristálytér-degeneráció). Ha külső mágneses teret használunk, akkor a 4 I 11/2 - 4 I 13/2 Er 3+ ionok sugárzás nélküli átmenete javul, és a mágneses mező révén bekövetkezik a keverési hatás, amely befolyásolhatja a tranziens energiákat. és meghatározzuk a spektrális vonalak intenzitását és szélességét.

Er 3+ ion energiaszintek ( a ) és az energiaszintek eloszlása ​​4 S 3/2 ( b ) és 4 F 9/2 ( c ) az Er3 ion NaNbO3 3 nanokristályokban a kristálytérben.

Teljes méretű kép

következtetések

Összegzésképpen elmondható, hogy a magneto-optikai bifunkcionális NaNbO 3: Er 3+, Yb 3+ nanokristályokat sikeresen szintetizálták a Pechini szol-gél módszerrel, amely lumineszcens Er 3+ ionból állt. A NaNb03: Er 3+, Yb 3+ nanokristályok up-konverziós lumineszcencia tulajdonságait hatékonyan hangolják mágneses mező segítségével alacsony hőmérsékleten. A felfelé történő átalakulás spektrumának kiszélesedését a mágneses mezővel figyeltük meg, ami a mágneses mező által kiváltott "keveredés" hatásának és az alsávok g-különbségének tulajdonítható. Megnövekedett felfelé irányuló lumineszcenciát figyeltek meg a növekvő mágneses térerősség mellett, ami elsősorban a 4 I 11/2-ről 4 I 13/2 Er3 + -ionokra történő nem közvetített átmenetnek és a javult "keveredésnek" köszönhető. mező a külső mágneses mezőből következik be. Ez a vezérelhető optikai-mágneses kölcsönhatásokkal rendelkező kétfunkciós anyag potenciálisan alkalmazható nagy pontosságú kommunikációban, mágneses rezonancia képalkotásban (MRI), célzásban vagy gyógyszeradagolásban, repülőgép-vezetésben és optikai mágneses tér detektálásában.

mód

Az anyagok szintézise

A nátrium-niobát (NaNbO 3) nanokristályokat lantaniddal együtt adva (Ln = Er, Yb) (adalékanyagok 2% Er 3+, 20% Yb 3+ a Na + ionokhoz viszonyítva) sikeresen elkészítettük a Pechini szol-gél felhasználásával módszer. A kiindulási anyagok a nátrium-karbonát (Na 2 CO 3, AR), a lantanid-nitrát (Ln (NO 3) 3 xx H 2 O, 99, 99%), ammónium-nióbium-oxalát ((NH 4) 3 [NbO (C 2 O) 4)]. 3], AR), savak citrom (CA, AR) és etilén-glikol (EG, AR). 0,1 mol% CA-t adunk 10 ml vízhez keverés közben és egy tégelyben 90 ° C-ra melegítve. A CA feloldása után a megfelelő mennyiségű (NH 4) 3 [NbO (C 2 O 4) 3] vizet feloldjuk. majd sztöchiometrikus mennyiségű Na2C03-ot és Ln (NO3) 3xxH2O-t adunk hozzá. a tiszta oldathoz, majd EG-t adunk az oldathoz. A végső keverékeket alaposan összekevertük és 120 ° C-on 6 órán át melegítettük, amíg tiszta barna vagy sárga géleket nem kaptunk. Végül a NaNbO 3: Er 3+, Yb 3+ nanokristályok előállításához a gél prekurzorokat 700 ° C-on 5 órán át kalcinkemencében égettük atmoszférában.

Jellemzési módszerek

Az előkészített minták kristályszerkezetét és fázistisztaságát röntgendiffrakcióval (XRD) vizsgáltuk (Bruker, D8 ADVANCE elemzés 40 kV és 40 mA feszültséggel kezelt Cu Ka sugárzással, λ = 0,155418 nm, pásztázási lépés 0,02 °, letapogatási sebesség 0, 1 s lépésenként). A morfológiát és a minta méreteloszlását nagy felbontású transzmissziós elektronmikroszkóppal (HRTEM, JEOL 2100 F) figyeltük meg. Szobahőmérsékleten a fel-konverziós emissziókat nagy felbontású spektrofluorométerrel (FLS920, Edinburgh Instruments, Livingston, Egyesült Királyság) mértük, amely gerjesztési forrásként 976 nm-es lézerdiódát kapott. A szimulált lézerforrás rövid hullámhosszú fényeinek megszakításához 800 nm hosszú áteresztő (LP) szűrőt (Andover, Salem, NH) használtunk. A felfelé irányuló lumineszcencia konverziós időt spektrométerrel (Omni-A3007, Zolix, Peking, Kína) digitális oszcilloszkóppal (TDS 2012B, Tektronix, Beaverton, OR) és gerjesztési forrásként pulzáló lézerdiódával (LE-LS-976) gyűjtöttük. ). -5000TFCA, LEO Photoelectric, Sencsen, Kína).

A pulzáló mágneses mező alatti MUL spektrumokat hasonló, korábban 16, 17 leírt optikai optikai rendszerrel mértük. A pulzáló mágneses mezőkben végzett MUL-kísérletek sémáját a 2. ábra mutatja. 8. 40 T-ig terjedő impulzus mágneses mezőt egy folyékony nitrogénnel hűtött ellenállású tekercsmágnes generált, amelynek impulzusideje 290 ms és leeső oldala 270 ms, amelyet a mintára vittünk. A mintát optikai szondával a mágneses tér közepére helyeztük. Egy 976 nm-es diódás lézersugárzással besugárzott lézersugarat egy multimódusú szálon keresztül juttattunk a szondába, és közvetlenül megvilágítottuk a mintán. A MUL spektrumot ugyanazzal a szálzal kaptuk. A MUL jelet az EM-CCD (Andor, DU970P) rögzítette monokromátorral (Andor, SR500). Valamennyi mérést szobahőmérsékleten vizsgáltuk, kivéve, hogy a MUL spektrum mágneses mezőben történő mérését 77 K-ra hűtöttük.

Teljes méretű kép

További információ

Word dokumentumok

További információ

Hozzászólások

Megjegyzés benyújtásával elfogadja az Általános Szerződési Feltételeinket és a közösségi irányelveket. Ha bármi sértőnek vagy összeegyeztethetetlennek tűnik a feltételeinkkel vagy irányelveinkkel, jelölje meg nem megfelelőként.