Silber-eingebettete Polymermikrofasern für verbessertes Up-Conversion-Optisches Sensing

Zusammenfassung

Wir berichten über einen einfachen Fertigungsweg für Polymermikrofasern, die Up-Conversion-Nanopartikel (UCNPs) mit Silber (Ag) co-dotiert enthalten. Die resultierenden LiYF₄:Yb³⁺/Er³⁺/Ag-Mikrofasern weisen einen Transmissionsverlust von α = 108,94 cm⁻¹ und eine Temperatursensitivität von 0,0095 K⁻¹ bei 303 K auf, was ihre Ag-freien Gegenstücke (0,0065 K⁻¹) übertrifft. Die verbesserte Leistung resultiert aus effizienter Photon-zu-Plasmon-Konversion in den Ag-Nanoeinschlüssen, die die Up-Conversion-Lumineszenz verstärken und die Wellenleitung verbessern. Diese Plattform bietet einen kostengünstigen, skalierbaren Weg zu hochleistungsfähigen optischen Temperatursensoren und photonischen Komponenten.

Hintergrund

Up-Conversion-Nanopartikel (UCNPs), dotiert mit Lanthanid-Ionen, finden zunehmend Anwendung in Bioimaging, Lasern, Displays und Photovoltaik aufgrund ihres großen Anti-Stokes-Shifts, chemischer Stabilität und Photobleaching-Resistenz. Die schwache Absorptionsquerschnitts der Lanthanid-Ionen limitiert jedoch den Fluoreszenzausbeute. Einbetten metallischer Nanostrukturen, insbesondere Silber, in UCNPs oder Polymermatrizen verstärkt lokale elektromagnetische Felder und steigert so die Up-Conversion-Effizienz. Während Ag-dotierte UCNPs in Bulk- oder Dünnschichtform untersucht wurden, bleibt ihre Integration in Mikrofasern – Schlüsselbausteine für On-Chip-Photonik – unerforscht.

Experimenteller und Methodenteil

Materialien

Analytisches Silberpulver, Chloroform, Cyclohexan, NaOH, NH₄F und Ethanol wurden von der Shanghai Chemical Company bezogen und ohne weitere Reinigung verwendet.

Herstellung von LiYF₄:Yb³⁺/Er³⁺-Nanopartikeln

UCNPs wurden via thermischer Zersetzung synthetisiert. Ein 100-ml-Dreihalskolben enthielt LnCl₃-Salze (Lu:Yb:Er = 78:22:1) in 15 ml 1-Octadecen und 6 ml Ölsäure, erhitzt auf 150 °C zur Klärung. Nach Entgasung wurden 4 mmol NH₄F und 2,5 mmol NaOH in 10 ml Methanol zugegeben, 30 min gerührt, dann auf 300 °C (50 °C min⁻¹) unter Ar für 1 h erhitzt. Nanopartikel wurden zentrifugiert (4000 rpm), mit Ethanol gewaschen und 12 h bei 60 °C getrocknet.

Fertigung Ag-co-dotierter Fasern

0,003 g Ag, 0,005 g UCNPs und 0,6 g PMMA wurden separat in 15 ml, 12 ml und 18 ml Cyclohexan oder Chloroform dispergiert. Die PMMA-Lösung wurde schrittweise zu den Ag- und UCNP-Lösungen gegeben und 30 min gerührt bis zur Transparenz. Eine flammenerhitzte Ziehtechnik wurde verwendet, um Mikrofasern aus dem Gemisch zu ziehen, die dann in Segmente geschnitten wurden (Abb. 1).

Spektralmessung

Abbildung 2 zeigt den Versuchsaufbau. Mikrofasern wurden mit einem 980-nm-CW-Laser (0,998 mW) angeregt und auf einem Glassubstrat positioniert. Ein ×20-Objektiv (NA = 0,4) sammelte das transmittierte Licht, während eine CCD-Kamera Emissionsspektren aufzeichnete. Temperaturabhängige Messungen erfolgten mit einem Ocean-Optics-Spektrometer.

Ergebnisse und Diskussion

Struktur und Transmissionseigenschaften

XRD-Muster bestätigten die reine tetragonale LiYF₄-Phase (JCPDS #17-0874). SEM-Bilder (Abb. 3b) zeigen glatte, gleichmäßige Fasern (~6 µm Durchmesser). TEM und EDS (Abb. 3c-d) verifizieren homogene Ag-Dispersion in der Polymermatrix. XPS-Spektren (Abb. 4) bestätigen Li, Y, F, Yb, Er und Ag, mit Ag-3d-Bindungsenergie bei 359,08 eV, was erfolgreiche Tri-Dotierung anzeigt.

FTIR (Abb. 5a) zeigt charakteristische C–H, C=O und Ag–O-Schwingungen, was Polymer- und Ag-Einbau bestätigt. TGA (Abb. 5b) offenbart zwei Abbaustufen: Feuchtigkeitsverlust unter 333 K und Polymerzersetzung zwischen 333–393 K, was thermische Stabilität bis ~332 K anzeigt.

Photolumineszenz-Imaging (Abb. 6) demonstriert, dass Ag-co-dotierte Fasern grüne Emission effizient über die gesamte Länge leiten, während Ag-freie Fasern stärkere Selbstabsorption und Rayleigh-Streuung zeigen. Quantitative Analyse der Intensität vs. Führungsdistanz (Abb. 7) ergibt Verlustkoeffizienten von 108,94 cm⁻¹ (Ag) und 231,72–274,84 cm⁻¹ (Ag-frei). Der reduzierte Verlust in Ag-dotierten Fasern wird auf verstärkte Photon-zu-Plasmon-Kopplung und engere Modeneinschluss zurückgeführt.

Energieniveaus und Thermische Effekte

Up-Conversion-Spektren zeigen grüne Bänder bei 522 nm (²H₁₁/₂→⁴I₁₅/₂) und 541 nm (⁴S₃/₂→⁴I₁₅/₂) sowie ein rotes Band bei ~660 nm (⁴S₃/₂→⁴F₉/₂). Diese Emissionen entstehen durch sequenziellen Energietransfer zwischen Yb³⁺-Pumpiionen und Er³⁺-Aktivatoren.

Temperaturabhängige Messungen (Abb. 9) zeigen, dass das Fluoreszenzintensitätsverhältnis (FIR) zwischen den beiden grünen Bändern einer exponentiellen Beziehung (Gleichung 2) folgt mit linearer Anpassung des natürlichen Logarithmus vs. 1/T. Die absolute Sensitivität (Gleichung 3) erreicht 0,0095 K⁻¹ bei 303 K für Ag-co-dotierte Fasern, übertreffend 0,0065 K⁻¹ der Ag-freien Fasern. Diese Verbesserung bestätigt, dass Ag-Nanopartikel die thermometrische Leistung von UCNP-Mikrofasern signifikant steigern.

Fazit

Wir haben eine skalierbare, kostengünstige Methode demonstriert, um silber-eingebettete Polymermikrofasern mit LiYF₄:Yb³⁺/Er³⁺ UCNPs herzustellen. Umfassende strukturelle, optische und thermische Analysen bestätigen, dass Ag-Nanoeinschlüsse Wellenleitung verbessern, Transmissionsverlust reduzieren und Up-Conversion-Intensität erhöhen, was zu 45 % Verbesserung der Temperatursensitivität bei Raumtemperatur führt. Diese Ergebnisse ebnen den Weg zu kompakten, hochleistungsfähigen optischen Sensoren und photonischen Bauelementen, die plasmonisch verstärkte Up-Conversion nutzen.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt verfügbar.