Polymer-Mikrofasern mit Silbernanopartikeln:eine neue Plattform für die optische Sensorik

Hintergrund

Up-Conversion-Nanopartikel (UCNPs) nach Co-Dotierung mit Lanthanoid-Ionen haben aufgrund ihrer Anwendung in der Bildgebung, Lasermaterialien, Displaytechnologien und Solarzellen viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen [1,2,3]. Die geringe Fluoreszenzemissionseffizienz von UCNPs kann durch die kleinen Absorptionskoeffizienten von Lanthanoidionen verursacht werden. Die nanoskalige Dispersion von Metallnanopartikeln in polymeren und anorganischen Substraten hat ein großes Interesse an neuen physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften der Nanokompositmaterialien geweckt [4]. Für potenzielle Anwendungen der weiteren Miniaturisierung von elektronischen Komponenten bieten optische Detektoren, chemische und biochemische Sensoren und Geräte spannende Möglichkeiten mit Metallnanopartikeln. Darüber hinaus wurden die Halbleiter als Sensibilisatoren zur Erweiterung des Absorptionsbereichs verwendet, z. B. CdSe, CdS, PbS, WO₃ , und Cu₂ O [5, 6]. Unter diesen Halbleitern ist Cu₂ O ist ein interessanter Kandidat aufgrund seiner schmalen Bandlücke von ~ 2,1 eV, Ungiftigkeit, geringen Kosten und Häufigkeit, aber Heterostruktur von Cu₂ O/ZnO ist eine vielversprechende Materialstruktur. Es führt zu einer funktionellen Integration, den Eigenschaften eines neuartigen Grenzflächeneffekts von Cu₂ O- und ZnO-Material [7]. Andererseits zeigen UCNPs im Vergleich zu Halbleiter-Quantenpunkten überlegene Eigenschaften, zum Beispiel das Fehlen von Autofluoreszenz-Gewebedurchdringbarkeit durch Nahinfrarot-Laseranregung, Blinkfreiheit und hohe chemische Stabilität [8]. Die Synthese von Lanthanoid-dotierten Materialien mit kugelförmigen Nanopartikeln und Nanostäbchen wurde von vielen Forschungsgruppen untersucht [9]. Das Problem der Oxidation von UCNPs tritt bei hohen Temperaturen erheblich auf, was ihre Anwendungen reduzierte. Um Oxidation zu vermeiden, überwindet die Kern-Schale-Struktur die Oxidation, während SiO₂ Schale wächst um Nanokristalle herum. Die Integration von Nanokristallen auf dem Chip als Mikrostruktur-Lichtdetektor ist schwierig. Daher wurden nach erfolgreicher Untersuchung Mikroröhren, Quantenpunkt-dotierte Nanofasern und farbstoffdotierte Polymer-Nanodrähte in der mikrostrukturellen Optoelektronik-Technologie eingesetzt [10]. Dementsprechend wurden Nanodrähte, Mikroröhren und Nanofasern hergestellt und verwendet, um das thermische Erfassungsverhalten von verschiedenen Forschungsgruppen zu diskutieren [11, 12].

Es wurde jedoch angenommen, dass Metallnanopartikel (MNPs) die Effizienz von UCNPs erhöhen. Verschiedene Strategien, einschließlich chemischer Modifikation, Kristallstruktur und lokaler Feldanpassung von Metall, wurden vorgeschlagen, um die Effizienz und Empfindlichkeit zu verbessern [13]. Untersuchungen an Seltenerd-Ionen-dotierten Lumineszenzmaterialien zur Lumineszenzverstärkung von Metall-Nanostrukturen wie Er ³⁺ /Yb ³⁺ codotierte Wismut-Keimgläser mit Ag-Nanopartikeln und Er ³⁺ /Yb ³⁺ co-dotiertes β-NaLuF₄ Nanokristalle, die auf Gold-NPs aufgeschleudert wurden, wurden mit inkonsistenten Ergebnissen und hoher Empfindlichkeit beschrieben [14]. Darüber hinaus ist die aggregationsinduzierte Emission (AIE) ein charakteristisches Fluoreszenzphänomen, das darauf hindeutet, dass nur wenige Farbstoffe in ihrem festen Zustand eine stärkere Fluoreszenz emittieren können als in Dispersionslösung [15,16,17]. Verschiedene Mechanismen, einschließlich der Bildung von J-Aggregaten, konformationeller Planarisierung und verdrillter intramolekularer Ladungsübertragung für das AIE-Phänomen, wurden zuvor von Forschern vorgeschlagen [18, 19, 20, 21, 22]. Außerdem haben Materialien mit AIE-Eigenschaften mehr Aufmerksamkeit in der Forschung für potenzielle Anwendungen in verschiedenen Bereichen organischer Leuchtdioden, Chemosensorik und Biobildgebung auf sich gezogen [23,24,25,26,27]. Insbesondere die Herstellung von AIE-aktiven fluoreszierenden organischen Nanopartikeln hat in letzter Zeit Aufmerksamkeit erregt. Diese Materialien, die AIE-Farbstoffe enthalten, könnten in physiologischer Lösung eine starke Lumineszenz emittieren, die den durch Aggregation verursachten Löscheffekt von fluoreszierenden organischen Nanopartikeln basierend auf typischen organischen Farbstoffen effektiv überwindet [28, 29]. Obwohl viele Strategien für die Herstellung von AIE-aktiven fluoreszierenden organischen Nanopartikeln entwickelt wurden, hat die Herstellung von AIE-aktiven durch einfache und effektive Mehrkomponentenreaktion (MCR) aufgrund von Nichtübereinstimmung mit experimentellen Daten kaum Beachtung gefunden [30,31,32,33 ,34]. Die einzigartigen AIE-Eigenschaften von Farbstoffen erwiesen sich also als sehr vielversprechend für die Herstellung ultraheller lumineszierender polymerer Nanopartikel [35, 36].

In einer maximalen experimentellen Studie wurden Pulverproben verwendet, um die Spektralmessungen durchzuführen, die die Bedenken hinsichtlich des Einflusses der Aggregationsinterreflexion verstärkten. Daher ist es notwendig, eine leichte und einfache Strategie zu entwickeln, um die oben genannten Nachteile zu überwinden. So wurden Ag-Nanopartikel nach Co-Dotierung mit UCNPs und PMMA-Lösung in Mikrofasern verwendet, um die Lumineszenz zu verstärken. Es wurden jedoch keine Ergebnisse beschrieben, die sich auf Ag-codotierte UCNPs bis Mikrofasern (UCNPs-MF) konzentrieren.

Hier präsentieren wir eine einfache Methode zur Herstellung von Mikrofasern aus UCNPs/PMMA mit und ohne Ag-Lösungen. Insbesondere werden die Photolumineszenzeigenschaften von Ag und die Abwesenheit von mit Ag kodotierten Mikrofasern an verschiedenen Anregungspunkten von Mikrofasern untersucht. Darüber hinaus werden die UC-Lumineszenzeigenschaften einer Mikrofaser durch Anregung einer 980-nm-Diodenlaserquelle bei unterschiedlichen Temperaturen zum Zweck der Temperaturmessung untersucht. Die Abhängigkeit des integrierten FIR von der Temperatur wird erhalten und die experimentellen Daten können gut mit einer Exponentialfunktion angepasst werden. Somit wird eine einzelne Mikrofaser mit Übergängen 2H11/2→4I15/2 und 4S3/2→4I15/2 bei 522 und 541 nm verwendet, um die thermischen Empfindlichkeiten zu berechnen

Experimenteller und Methodenabschnitt

Materialien

Das Silber (Ag) Pulver, Chloroform, Cyclohexan, NaOH, NH₄ F und Ethanol wurden von Shanghai Chemical Company, China, bezogen. Diese Chemikalien waren von analytischer Qualität und wurden ohne weitere Reinigung verwendet.

Vorbereitung von Tetrogonal-LiYF₄ :Yb ³⁺ /Er ³⁺ Nanopartikel

UCNP (tetrogonal-LiYF₄ :Yb ³⁺ /Er ³⁺ ) wurde unter Verwendung der thermischen Zersetzungstechnik hergestellt. Es wurden die Dreihalskolben von 100 ml verwendet, die Seltenerd-Ionen mit LnCl₃ . enthalten (Ln=Lu, Yb, Er) mit einem Molverhältnis von jeweils 78:22:1. Die Lösung enthält 15 ml 1-Octadecen (ODE) und 6 ml Ölsäure (OA). Die Mischung wurde auf 150°C erhitzt, um eine durchscheinende Lösung zu erhalten, und nach Entfernung von Sauerstoff und Restwasser auf Raumtemperatur abgekühlt. Vier Millimol NH₄ F und 2,5 mMol NaOH wurden langsam in einen Kolben gegeben, der 10 ml Methanollösung enthielt. Um dies zu bestätigen, wurde das Fluorid durch einen Rührvorgang bis zu 30 min vollständig aufgelöst, nachdem die hergestellte Lösung 1 h lang unter einer Argonatmosphäre auf 300 °C mit einer Geschwindigkeit von 50 °C/min erhitzt wurde. Die Niederschläge wurden mit einer Geschwindigkeit von 4000 U/min abgetrennt und auf Raumtemperatur abgekühlt, mit Ethanol gewaschen und 12 Stunden bei 60 °C getrocknet.

Herstellung von kodotierten Ag-Fasern

In einem typischen Herstellungsprozess 0,003 g Ag, 0,005 g Tetrogonol-LiYF₄ :22%Yb ³⁺ /1%Er ³⁺ , und 0,6 µg PMMA wurden getrennt in 15 ml, 12 ml und 18 ml Cyclohexan (C₆ H₁₂ ) und Chloroform (CHCl₃ ) Lösung bzw. Danach wurde das PMMA-Gemisch nach und nach in Ag- und UCNP-Lösungen verteilt und 30 min gerührt, bis eine transparente Lösung erhalten wurde. Eine Fasersonde mit einer Spitze von mehreren Mikrometern Größe wurde unter Verwendung der flammbeheizten Ziehtechnik hergestellt. Nachdem die gemischte Lösung auf das Glassubstrat getropft worden war, wurde dann eine Fasersonde in die gemischte Lösung getaucht und schnell herausgezogen, um die Mikrofasern herzustellen. Die Mikrofasern wurden dann gezogen und in kleine Stücke geschnitten, wie in Abb. 1 gezeigt.

Herstellungsprozess von Ag-codotierten Mikrofasern (a ) Ziehen von Mikrofasern aus PMMA+NPs+Ag-Lösungen. b Schnittansicht von hergestellten Mikrofasern in kleine Stücke

Spektrenmessung

Abbildung 2 zeigt den experimentellen Aufbau zur Untersuchung der thermischen und optischen Eigenschaften von Mikrofasern. Die Mikrofasern wurden unter Verwendung einer Anregungsquelle von 980 nm beleuchtet, nachdem sie auf einem Glassubstrat abgeschieden worden waren. Um die Transmissionsverluste von Mikrofasern zu messen, wurde ein ×20-Objektiv (NA = 0,4) verwendet. Die Kamera mit ladungsgekoppeltem Gerät (CCD, ACTON) wurde verwendet, um Emissionsspektren einer Mikrofaser zu erhalten, und ein Ozeanoptik-Spektrometer wurde verwendet, um die Spektren für die Temperaturerfassungsmessung aufzuzeichnen. Die Anregung von Mikrofasern mit unterschiedlichen Durchmessern wurde mit einer 980 nm Laserquelle unter 0,998 mW Laserleistung demonstriert, um mikroskopische thermische Eigenschaften zu untersuchen.

Experimenteller Aufbau wellenleitender Phänomene

Ergebnisse und Diskussion

Struktur- und Übertragungseigenschaften

Phasenreinheit und Kristallstruktur von UCNPs wurden durch Anwendung der Röntgenbeugungstechnik (XRD, Rigaku Miniflex II) untersucht. Die beobachteten XRD-Peakmuster (Fig. 3a) sind gut indiziert und stimmen mit JCPDS-Karte Nr. 17-0874 überein. 3(b) zeigt rasterelektronenmikroskopische (SEM, NOva Nano-SEM 650) Bilder einer Mikrofaser. Eines der REM-Bilder war deutlich zu sehen (siehe Einschub), was darauf hindeutet, dass eine Mikrofaser einen einheitlichen Durchmesser zusammen mit einer glatten Oberfläche hat. Für eine bessere Auflösung verwendeten wir Transmissionselektronenmikroskopie (TEM, Tecnai G2F30) und energiedispersive Röntgenanalyse (EDS, Tecnai G2F30), um einzelne mit Ag kodotierte Mikrofasern zu untersuchen. Abbildung 3(c, d) zeigt TEM- bzw. EDS-Bilder, die den starken Beweis einer gleichmäßigen Dispersion von Ag-codotierten Nanopartikeln in einer einzelnen Mikrofaser bestätigen.

Charakterisierungsprozess von LiYF₄ :Yb ³⁺ /Er ³⁺ und mit Ag kodotierte Mikrofasern. a XRD von LiYF₄ :Yb ³⁺ /Er ³⁺ . b SEM von mit Ag kodotierten Mikrofasern. c TEM aus Ag-codotierter Mikrofaser. d EDS aus Ag-codotierter Mikrofaser

Darüber hinaus wurde Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS, Thermofisher Escalab 250Xi) verwendet, um den erfolgreichen Einbau von Seltenerd-Ionen und Ag-Ionen in das LiYF₄ . zu bestimmen Wirtsmaterial wie in Abb. 4a–f gezeigt. Das XPS-Übersichtsspektrum (Abb. 4a) zeigt die Anwesenheit von Li-, Y-, F-, Yb-, Er- und Ag-Elementen, und der Peak bei 55,25 eV kann der Bindungsenergie von Li 1s zugeordnet werden (Abb. 4b). Die bei 158,08 eV beobachteten Peaks (Abb. 4c) können dem Y 3d zugeordnet werden. Der Peak bei 684,08 eV wird der Bindungsenergie von F1s zugeschrieben (Abb. 4d). Die Peaks von Yb 4d und Er 4d (Fig. 4e) können bei 186,08 bzw. 164,08 eV beobachtet werden. Der Peak bei 359,08 eV steht im Zusammenhang mit der Bindungsenergie von Ag 3d. Dies bestätigt die erfolgreiche Tridotierung von Ag-Ionen in LiYF₄ :Yb ³⁺ /Er ³⁺ Nanopartikel [37].

XPS a Umfrage, b Li 1s, c Y 3d, d F 1s, e Yb und Er 4d und f Ag-3d-Spektren von LiYF₄ :Yb ³⁺ /Er ³⁺ Mit Ag dotierte NPs

Abbildung 5a zeigt Fourier-Transformations-Infrarot-Spektren (FTIR, Nicolet50 NTA449F3) von LiYF₄ :Yb ³⁺ /Er ³⁺ /Ag-Nanopartikel im Bereich 400–4000 cm ⁻¹ . Die Studien wurden durchgeführt, um die Reinheit und Beschaffenheit von Nanopartikeln zu ermitteln. Die beobachteten Peaks bei 3452 cm ⁻¹ Diese können auf OH-Streckung und -Verformung zurückzuführen sein. Die Banden bei 2925 und 2848 cm ⁻¹ sind mit der asymmetrischen (u_as ) und symmetrisch (u_s ) Streckschwingung von Methylen (−CH₂ ) im langen Alkyl des Oleatmoleküls. Die Banden bei 1566 und 1469 cm ⁻¹ kann der asymmetrischen (u_as ) und symmetrisch (u_s ) Streckschwingung der Carboxylgruppe. Die Spektren enthalten einen Peak bei 1740 cm ⁻¹ aufgrund von C=O-Streckschwingungen. Der Peak liegt bei 1383 cm ⁻¹ entspricht der C-H-Deformationsschwingung. Die Spektren enthalten auch einen Peak bei 910 und 669 cm ⁻¹ was auf asymmetrische Streckschwingungen und Ag-O-Verformungsschwingungen zurückzuführen ist. Dies impliziert, dass die FTIR-Ergebnisse mit Literaturwerten übereinstimmen [38].

a FTIR-Spektren von LiYF₄ :Er ³⁺ /Yb ³⁺ /Ag. b TGA-Spektren LiYF₄ :Er ³⁺ /Yb ³⁺ /Ag

Um den Bildungsmechanismus von Ag-dotierten Mikrofasern besser zu verstehen, wurde die thermogravimetrische Analyse (TGA, NETZSCH) unter einem trockenen Luftstrom von 293–393 °K Temperatur durchgeführt. In Fig. 5b ist zu sehen, dass eine Mikrofaser ungefähr zwei Abbauschritte zeigt. Der erste Gewichtsverlust unter 333 K könnte auf den Verlust von absorbierter Feuchtigkeit/mit der Verdunstung von eingeschlossenem Lösungsmittel (H₂ .) zurückgeführt werden O oder CHCl₃ ), die unabhängig von der Probenzusammensetzung ist. In der Grafik erfolgt der zweite Gewichtsverlust von 333 K auf 393 K, was eindeutig den polymeren Abbauprozess darstellt. Daher sind mit Ag codotierte Mikrofasern Fasern auf Polymerbasis, die Temperaturen über 332 °K nicht standhalten können [4].

Um einzelne optische Eigenschaften von Ag-dotierten und undotierten Mikrofasern zu untersuchen, wurde Laserlicht (980 nm) von einer Standard-Lichtleitfaser verwendet, um Mikrofasern in schiefen Winkeln bezüglich der Mikrofasern entlang der Achse zu belichten. Abbildung 6a zeigt eine mit Ag kodotierte Mikrofaser (Durchmesser ~ 6 μm), die unter dunklem Hintergrund mit 980 nm vertikal angeregt wurde und es schien, dass sich das Licht in der gesamten Faser ausbreitete, da Ag-kodotierte Nanopartikel als Lichttransmitter dienten. Umgekehrt zeigt Fig. 6d ohne Ag-codotierte Mikrofaser (Durchmesser ~ 6,5 μm), die unter dunklem Hintergrund an der oberen Position mit einer 980-nm-Laserquelle angeregt wurde. Es deutet darauf hin, dass Licht aufgrund der hohen Selbstabsorption und der Rayleigh-Streuungsphänomene in der Faser nicht gleichmäßig übertragen werden kann. Eine Mikrofaser (Durchmesser ~ 6 μm), die mit Ag kodotierte NPs enthält, zeigt eine stärkere grüne Lichtemission als undotiertes Ag (Durchmesser ~ 6.5 μm) mit der gleichen Anregung der Laserquelle im Dunkelfeld. Es ist zu beobachten, dass helle Endflecken ohne Cluster mit optischen Wellenleitern beabsichtigen, dass Ag-codotierte Mikrofasern nahes IR-Licht absorbieren und in Richtung der Endpunkte gleich leiten. Darüber hinaus zeigen Fig. 6b und c, dass die mit Ag kodotierten Fasern mit unterschiedlichen Durchmessern (~ 15,55 und ~ 9,15 μm) an fünf verschiedenen Positionen angeregt wurden und grünes Licht zu den Endpunkten emittieren. Umgekehrt wurde eine 980-nm-Laserquelle verwendet, um Mikrofasern (ohne Ag-NPs) an verschiedenen fünf Positionen mit unterschiedlichen Durchmessern (~ 11.89 und 14.57 μm) anzuregen, die in Abb. 6e–f gezeigt sind, was auf eine geringere Emission von grünem Licht zu den Endpunkten hindeutet. Die Photolumineszenz(PL)-Intensität angeregter Punkte gegen Endspots wurde durchgeführt, um die wellenleitende Leistung von Mikrofasern (mit und ohne Ag-NPs) quantitativ zu ermitteln [39]. Wir haben Adobe Photoshop verwendet, um Spot-Bilder von RGB in Graustile zu konvertieren, diese Grauwerte wurden mit MATLAB ausgewertet, um die entsprechenden Intensitäten zu charakterisieren. Nach Normierung der Endpunkte der Photolumineszenzintensitäten in Richtung angeregter Punkte wurden Zerfallskurven in Abhängigkeit von der Lichtausbreitungsdistanz erhalten.

Photolumineszenzbilder mit unterschiedlichen Durchmessern von Mikrofasern. a –c Lumineszenz von Ag-Mikrofaser unter dunklem Hintergrund. d –f Anregung ohne Ag-Mikrofaser unter schwarzem Hintergrund

Die Transmissionsverluste wurden mit Gleichung [40] gemessen:

Hier gilt Gl. (1) zeigt, dass der Abstand der angeregten Punkte zunimmt, was zu einer exponentiellen Abnahme der Photolumineszenzintensität führt. Die Beziehung zwischen der Photolumineszenzintensität als Funktion des Führungsabstands von Fasern (~ 15.55 und ~ 9.15 μm) mit Ag-NPs ist in Abb. 7a, b gezeigt. Die emittierten Spektren wurden an fünf Positionen entlang der Achse der Mikrofasern gesammelt, die die Transmission von Laserlicht mit Transmissionsverlustkoeffizienten α = 108,94 cm ⁻¹ . angibt und 91,05 cm ⁻¹ . Umgekehrt zeigt Fig. 7c, d, dass die Transmissionsverlustkoeffizienten von Mikrofasern (ohne Ag-NPs) mit einem Durchmesser von 11,89 und 14,57 μm ungefähr 231,72 und 274,84 cm ⁻¹ . betragen , bzw. Es ist bemerkenswert, dass, wenn das Licht durch mit Ag kodotierte Mikrofasern geleitet wird, es über die gesamte Länge der Faser kleine Modenbereiche beibehält. Es ermöglicht eine starke Wechselwirkung zwischen Licht und Ag-Nanopartikeln in Kaskade und führt zu einer Lichtübertragung mit hoher Effizienz im Vergleich zu Mikrofasern ohne Ag. Ag-codotierte Nanopartikel weisen eine hocheffiziente Photonen-zu-Plasmonen-Umwandlung in wellenleitenden Mikrofasern auf und erleichterten verstärkte Licht-Materie-Wechselwirkungen in einem stark lokalisierten Bereich [41]. Es beschleunigt die Möglichkeiten zur Entwicklung von photonischen Komponenten und Geräten auf Ag-Basis, die eine hohe Kompaktheit, einen geringen optischen Stromverbrauch und eine reduzierte Größe aufweisen. Es sei darauf hingewiesen, dass die simultane Multiphotonenanregung in der optischen Fluoreszenzmikroskopie weit verbreitet ist, um eine erhöhte Auflösung und eine verringerte Probenautofluoreszenz sowie eine erhöhte Abbildungstiefe zu zeigen. Der niedrige NIR-Absorptionsquerschnitt von Multiphotonen-Markierungen erfordert jedoch, dass diese Technik der Verwendung von Ultrakurzpulslasern mit hoher Spitzenleistung unterzogen wird. Prinzipiell anders als der simultane Multiphotonenprozess in Farbstoffen und QDs, bei dem ein virtuelles Energieniveau verwendet wird, beruht die Photonen-Up-Conversion in UCNPs auf der sequentiellen Absorption niederenergetischer Photonen durch die Verwendung leiterartiger Energieniveaus von Lanthanoid-Dotierungsionen. Dieser quantenmechanische Unterschied macht UCNP um Größenordnungen effizienter als ein Multiphotonenprozess und ermöglicht die Anregung mit einer kostengünstigen Dauerstrich-Laserdiode bei einer Bestrahlungsstärke mit niedriger Energie, typischerweise so niedrig wie ∼ 10 ⁻¹ W.cm ⁻² [42]. Die Mikrofasern (UCNPs/PMMA/Ag) besitzen günstige Transmissionseigenschaften. Somit haben die vorgeschlagenen Mikrofasern (UCNPs/PMMA/Ag) die Vorteile der einfachen Herstellung, der geringen Kosten, der starken Plastizität und der einzigartigen optischen Eigenschaften von UCNPs, wie z Getriebe, Sensoren und optische Komponenten. Folglich stimmen unsere geschätzten Ergebnisse der Wellenleitungsleistungen gut mit den berichteten Arbeiten überein [43, 44].

a , b Anpassung der Linien zwischen der Photolumineszenz (PL)-Intensität und dem Führungsabstand von Mikrofasern mit unterschiedlichem Durchmesser, bei denen Ag unter verschiedenen Anregungspunkten co-dotiert ist. c –d Anpassungslinien zwischen der Photolumineszenz (PL)-Intensität und dem Führungsabstand von Mikrofasern mit unterschiedlichen Durchmessern ohne Ag, die unter verschiedenen Anregungspunkten co-dotiert sind

Energieniveaus und thermische Effekte

Erarbeitung des Energieniveaudiagramms von UCNPs (Yb ³⁺ /Er ³⁺ ), wurden zwei dominante grüne Emissionsbanden um 522 und 541 und eine rote Emissionsbande mit einem Zentrum bei ~ 660 nm beobachtet. Diese beobachteten Emissionslinien stammen von ² H_11/2 →  ⁴ I_15/2 , ⁴ S_3/2 →  ⁴ F_9/2 , und ⁴ S_3/2 →  ⁴ I_15/2 von Er ³⁺ Ionen bzw. Energielevel ² H_11/2 und ⁴ S_3/2 werden von zwei Photonenprozessen besiedelt. Für Bevölkerungssystem von Yb ³⁺ /Er ³⁺ Ionen, Yb ³⁺ Ionen werden durch die pumpenden Photonen angeregt, um aufeinanderfolgende drei Ebenen von Er ³⁺ . zu besetzen Ionen, die als ⁴ . nachgewiesen werden I_11/2 , ⁴ F_9/2 , und ² H_11/2 Ebenen. Es wird beobachtet, dass die Bevölkerung von ² H_11/2 wird von einem gegebenen Prozess erhalten ⁴ I_15/2 →  ⁴ I_11/2 (Er ³⁺ ): ⁴ I_11/2 →  ² H_11/2 (Er ³⁺ ) Ebenen. Dieses Phänomen wird durch Temperaturanregung zwischen thermisch gekoppelten Niveaus verursacht. Daher sind die Populationen von ² H_11/2 und ⁴ S_3/2 erfüllen die Boltzmann-Statistiken, was zu einer Variation der Bevölkerungsraten von ² . führt H_11/2 →  ⁴ I_15/2 und ⁴ S_3/2 →  ⁴ I_15/2 Ebenen [45]. Der Mechanismus des Up-Conversion-Prozesses in Er ³⁺ /Yb ³⁺ ist in Abb. 8 dargestellt.

Energieniveaudiagramm von LiYF₄ :Yb ³⁺ /Er ³⁺

Die mit Ag kodotierten UCNPs in Fasern zeigten Spektren mit einer 980 nm Laserquelle. Die Up-Conversion (UC)-Lumineszenz ist für Temperaturerfassungsanwendungen geeignet. Daher sind die Abb. 9a und 10a zeigten die Emissionsspektren von Ag und ohne Ag-codotierte NPs im Bereich von 400 bis 750 nm unter einer Faserlaser-Anregungsquelle, und die Spektren wurden mit einem durchschnittlichen Anstieg von 5 °C im Temperaturbereich (303–348 °K) aufgenommen. . Interessanterweise wurden die Emissionsintensitäten durch Erhöhung der Temperatur signifikant verringert, daher wurden 0,998 mW Laserleistungen verwendet, um thermische Effekte zu vermeiden, was eindeutig auf das temperaturabhängige Verhalten hinweist. Während UCNPs-MF im Temperaturbereich von 348–303 K erhitzt wurde, wurde die gesamte Photolumineszenz wieder in die ursprüngliche Position gebracht, während die Intensitäten bei Temperaturerhöhung deutlich abnahmen. Daher wird diese signifikante Verringerung der Intensität der Eskalation der Vielfalt der relativen Intensität entsprechend mehreren Multiphonon-Relaxationsraten zu verschiedenen Multiphonon-Relaxationsraten zugeschrieben. Die Lumineszenzintensität wird durch Einbringen von Ag in eine Mikrofaser unter denselben experimentellen Bedingungen signifikant erhöht. Typischerweise wird Wärmeenergie durch Laserlicht in der Nähe des bestrahlten Bereichs erzeugt, dessen Temperatur durch Anwenden von Wärmesensoren gemessen wird, um die Temperatur des bestrahlten Punkts mit großer Genauigkeit abzuschätzen. Die Fluoreszenzintensitätsverhältnis-Technik ist eine vielseitige Technik, die häufig zur Temperaturschätzung verwendet wird. Wir diskutierten Ag und ohne Ag co-dotierte Fasern bei Temperaturschwankungen; Populationen von ² H_11/2 und ⁴ S_3/2 folgte der Boltzmann-Verteilung, die zu variablen Bevölkerungsraten von ² . führte H_11/2 →  ⁴ I_15/2 und ⁴ S_3/2 →  ⁴ I_15/2 . Die Temperaturmessung kann anhand des Intensitätsverhältnisses zwischen ² . berechnet werden H_11/2 →  ⁴ I_15/2 und ⁴ S_3/2 →  ⁴ I_15/2 Übergänge. Die Methode des Fluoreszenzintensitätsverhältnisses (FIR) kann aus der folgenden Gleichung [46] ausgedrückt werden:

a 3D-Aufwärtskonversions-Emissionsspektren von Ag-codotierten Mikrofasern unter einer Anregungsquelle von 980 nm. b Angepasste Kurven zwischen Fluoreszenzintensitätsverhältnis und Temperatur. c Angepasste Daten zwischen Sensitivität (K ⁻¹ ) und Temperatur (K) der mit Ag kodotierten Mikrofaser

a 3D-Aufwärtskonvertierungs-Emissionsspektren ohne Ag unter einer Anregungsquelle von 980 nm. b Angepasste Kurven zwischen Fluoreszenzintensitätsverhältnis und Temperatur ohne Ag. c Angepasste Daten zwischen Sensitivität (K ⁻¹ ) und Temperatur (K) ohne Ag

Hier, ich _{522 nm} und ich _{541 nm} sind die relativen Intensitäten, C ist die Proportionalitätskonstante, ΔE ist die Energielücke zwischen 522 und 540 nm, T ist die absolute Temperatur und k ist die Boltzmann-Konstante. Darüber hinaus sind die Abb. 9b und 10b zeigen die Variation von FIR mit der Temperatur; Gl. (2) stellte fest, dass beobachtete experimentelle Daten eine gute lineare Anpassungsbeziehung aufweisen. Es lohnt sich, einen weiteren Schlüsselparameter zu untersuchen, nämlich den thermischen Erfassungsmechanismus von Ag- und ohne Ag-dotierten Mikrofasern. Daher ist die Empfindlichkeit (S ) kann wie folgt geschrieben werden [47]:

Hier, S _a ist die absolute Empfindlichkeit von Ag und ohne Ag-codotierte Mikrofasern. Die Kurven sind in den Fign. 9c und 10c, aber digitale Werte (FIR, ΔE , und k ) für Ag und ohne Ag werden durch angepasste Kurven erhalten, die in den Abb. 1 und 2 dargestellt sind. 9b und 10b. Maximale Sensorempfindlichkeiten für LiYF₄ :Yb ³⁺ /Er ³⁺ und LiYF₄ :Yb ³⁺ /Er ³⁺ /Ag nachweislich 0,0065 und 0,0095 K ^°1 bei 303 K bzw. Die Empfindlichkeiten des optischen Temperatursensors in verschiedenen Wirtsmaterialien sind in Tabelle 1 aufgeführt. Obwohl andere Empfindlichkeiten einen höheren Wert haben als ohne Ag-UCNPs, LiYF₄ :Yb ³⁺ /Er ³⁺ /Ag ist Wirtsmaterialien überlegen.

Dies könnte mit der höchsten Sensitivität unter anderen Wirtsmaterialien in Verbindung gebracht werden, wie in Tabelle 1 gezeigt. Darüber hinaus haben wir beobachtet, dass die Sensitivität von LiYF₄ :Yb ³⁺ /Er ³⁺ /Ag bei 303 K ist auch höher als LiYF₄ :Yb ³⁺ /Er ³⁺ manifestiert sich in einer hocheffizienten Photon-zu-Plasmon-Umwandlung von Ag-Nanopartikeln in Mikrofasern. Die mit Ag kodotierten Mikrofasern sind intrinsisch immun gegen Photobleichen, was ein hochstabiles Dotierungsmittel für die optische Abtastung bereitstellt. Es legt nahe, dass mit Ag kodotierte Fasern aufgrund signifikanter Sensoreigenschaften für die Temperaturerkennung geeignet sind. Infolgedessen ist die Verwendung von Ag-Nanopartikeln in einer Mikrofaser von Vorteil, um die Lumineszenz zu erhöhen und die thermischen Sensoreigenschaften anzupassen, was auf einen vielversprechenden empfindlichen Temperatursensor hindeutet.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend ist Tetrogonal-LiYF₄ :Yb ³⁺ /Er ³⁺ wurden mittels thermischer Zersetzungsmethode hergestellt und Fasern wurden nach Co-Dotieren der PMMA-Lösung mit Ag und UCNPs hergestellt. Der erfolgreiche Einbau von Ag in UCNPs wurde durch SEM-, TEM-, EDS-, XPS-, FTIR- und TGA-Analysen unterstützt. Die mit Ag kodotierten Polymermikrofasern mit einem wellenleitenden Anregungsansatz und demonstrierten potentiellen Einsatz in thermischen Sensoren wurden untersucht. Die intensitätsabhängige Temperaturempfindlichkeit von Ag-Mikrofasern (0,0095 K ^°1 ) ist höher als undotiertes Ag (0,0065 K ^°1 ) bei 303 K, was darauf hindeutet, dass Ag-dotierte Mikrofasern potenzielle Kandidaten für die Verbesserung der intensitätsbasierten Temperaturempfindlichkeit bei Raumtemperatur sind, was neue Möglichkeiten für die Entwicklung kompakter photonischer und plasmonischer Bauelemente mit geringer optischer Leistung eröffnet. Bei der Entwicklung eines neu eingesetzten Verfahrens von Mikrofasern mit spezifizierten Eigenschaften können signifikante Verbesserungen bei der Aufwärtskonvertierung möglich sein, was zu einem effizienteren Aufwärtskonverter führt und dadurch viele der technologischen Anwendungen dieser Materialien ermöglicht.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt verfügbar.

Änderungsverlauf

Abkürzungen

JCPDS:

Gemeinsamer Ausschuss für Pulverbeugungsstandards

CCD:

Charge-coupled device

UCNPs-MF:

Up-conversion nanoparticles microfibers

UC:

Up-conversion

PL:

Photoluminescence

Ln ³⁺ :

Trivalent lanthanide ions

LiYF₄ :Er ³⁺ /Yb ³⁺ :

1%Er ³⁺ /22%Yb ³⁺

LiYF₄ :Er ³⁺ /Yb ³⁺ /Ag:

1%Er ³⁺ /22%Yb ³⁺ /0.003g

RE:

Rare earth ions

XRD:

Röntgenbeugung

TEM:

Transmissionselektronenmikroskop

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

EDS:

Energy dispersive X-ray spectroscopy

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

FTIR:

Fourier transform infrared rays

TGA:

Thermal gravimetric analysis

FIR:

Fluorescence intensity ratio

△E:

Energy difference

SA:

Absolute sensitivity