Pesquisadores liderados por Hong Zhang no Instituto Van 't Hoff de Ciências Moleculares da Universidade de Amsterdã foram capazes de fornecer informações sobre a dinâmica microscópica da transferência e conversão de energia em fósforos dopados. Usando nanoestruturas dedicadas e modelagem de computador, eles foram capazes de determinar quantitativamente o mecanismo de interação entre as impurezas hidroxila e os centros de luminescência dentro de fósforos dopados com lantanídeos. Suas descobertas, que acabam de ser publicados pela revista Nature Luz:Ciência e Aplicações , contribuirá para o desenvolvimento do romance, materiais de conversão ascendente altamente eficientes.

Fósforos são substâncias capazes de luminescência, emitindo luz mediante exposição à radiação eletromagnética. Eles podem ser encontrados em aplicações tão diversas como tubos de raios catódicos, Iluminação LED, e tintas luminosas. Particularmente atraente é seu uso como material de superconversão onde eles emitem um fóton após a absorção de vários fótons de energia inferior. Este 'jacking' de luz de frequências mais baixas para mais altas pode ser usado, por exemplo, para mudar a luz infravermelha próxima (NIR) de um laser de miliwatt de onda contínua econômica para mais alta, frequências visíveis e até mesmo na região espectral ultravioleta (UV). As aplicações potenciais de upconversion são em espectroscopia de super-resolução, armazenamento de dados de alta densidade, anti-falsificação, e imagens biológicas e terapia foto-induzida.

As propriedades ópticas dos fósforos de conversão ascendente são altamente dependentes da ocorrência de defeitos e impurezas, que muitas vezes têm sérios efeitos adversos na transferência e conversão de energia. Desvendando os mecanismos de interação subjacentes, Contudo, é um grande desafio, pois é quase impossível quantificar adequadamente a ocorrência de defeitos e impurezas. Em seu papel em Luz:Ciência e Aplicações , Hong Zhang e colegas de trabalho agora mostram que esse dilema pode ser efetivamente desemaranhado aplicando nanoestruturas.

A relevância das impurezas hidroxila

Os pesquisadores estudaram partículas nanométricas consistindo de fluoretos de ítrio de sódio dopados com íons lantanídeos. Estes são um dos materiais de upconversion de luminescência mais eficazes, mas seu desempenho sofre com a ocorrência de hidroxila (OH ^- ) impurezas. Eles são facilmente introduzidos durante a síntese de materiais e podem reduzir o desempenho de conversão ascendente não linear em até três ordens de magnitudes. As impurezas hidroxila ocorrem tanto na superfície quanto dentro da nanopartícula.

O papel do OH relevante de superfície ^- sobre as propriedades de luminescência já foi bem documentado por meio de abordagens como revestimento de casca. Desvendando o mecanismo de interação do OH interno ^- impurezas, Contudo, quase não foi relatado, principalmente porque quantificar seu conteúdo é muito complicado. Hong Zhang e seus colegas de trabalho foram agora capazes de separar com sucesso os efeitos da superfície OH relevante ^- e o OH ^- dentro da nanopartícula na dinâmica de conversão ascendente de fótons.

Usando espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), eles determinaram o conteúdo de OH- interno com um erro relativo de menos de 15%. Nesta base, combinado com modelagem teórica, eles foram capazes de estabelecer uma ponte entre as interações microscópicas íon-íon e íon-impureza para fenômenos de luminescência de conversão ascendente macroscópica. Isso levou, entre outros, a uma explicação mecanicista do fenômeno observado em estudos relacionados que a intensidade de luminescência de conversão ascendente exibe uma lei de decaimento exponencial com o aumento de OH ^- conteúdo (veja a figura acima).

Síntese eficaz de materiais de conversão ascendente

Uma vez que era sabido que a síntese em um ambiente estritamente seco pode aumentar substancialmente a eficiência de luminescência de conversão ascendente, Zhang e colegas de trabalho começaram a ajustar o OH interno ^- teor de impurezas das nanopartículas por meio da secagem seletiva de diferentes etapas de síntese. Assim, eles foram capazes de ajustar a intensidade da luminescência dentro de uma faixa onde a intensidade máxima era 30 vezes maior do que a eficiência mínima. Mais importante, introduzindo um método de teste FTIR, eles descobriram que a intensidade do pico de absorção em ~ 3400 cm ^-1 medido em um ambiente de água pesada pode ser usado de forma confiável para caracterizar quantitativamente o OH ^- impureza contida na nanopartícula.

Assim, com a capacidade de ajuste quantitativo do OH- e NaYF interno ₄ nanoestruturas de núcleo / casca, os pesquisadores exploraram a dinâmica microscópica da conversão ascendente de fótons sob a ação do OH interno ^- impurezas de uma perspectiva experimental e teórica. A previsão de simulações de modelo que tanto o tempo de vida de luminescência do sensibilizador Yb ³⁺ e a intensidade de emissão de conversão ascendente diminui exponencialmente com o conteúdo de OH ^- está bem confirmado experimentalmente, e os parâmetros de interação relevantes são determinados.