luminiscenței

  • obiecte
  • abstract
  • introducere
  • rezultate si discutii
  • Puritate de fază, structură și morfologie
  • Proprietățile MUL ale nanocristalelor NaNbO 3 co-dopate Er 3+/Yb 3+
  • concluzii
  • metode
  • Sinteza materialelor
  • Metode de caracterizare
  • Informatii suplimentare
  • Documente Word
  • Informatii suplimentare
  • Comentarii

obiecte

  • Stiinta Materialelor
  • Materiale pentru nanoscale

abstract

În această lucrare, arătăm aici că luminiscența nanomaterialelor NaNb03: Er 3+/Yb 3+ poate fi modulată de un câmp magnetic și o creștere a intensității conversiei cu un factor de aproximativ 2 pentru Er3. +: 4 S 3/2 → 4 I 15/2 obținut la 30 ° C și aproximativ 5, 4 pentru Er 3+: 4 F 9/2 → 4 I 15/2 obținut la 20 T. Luminozitatea crescută ascendentă este interpretată în special în ceea ce privește transferul îmbunătățit fără radiații de la ionii 4 I 11/2 la 4 I 13/2 Er3 + și legătura spin-orbitală (adică efectul de „amestecare”) în câmpul cristalin de către un câmp magnetic extern. Între timp, am observat o lărgire constantă a spectrului cu creșterea intensității câmpului magnetic, care este atribuită efectului de "amestecare" cauzat de câmpul magnetic și diferenței în factorul g al sub-benzilor. Acest material bifuncțional cu interacțiuni optico-magnetice controlabile are diverse aplicații potențiale, cum ar fi detectarea câmpului magnetic optic etc. .

Materialele magneto-optice cu funcție dublă au primit o atenție din ce în ce mai mare pentru aplicațiile lor potențiale în comunicații de înaltă precizie, imagistică prin rezonanță magnetică (RMN), transportoare de țintire sau medicamente, ghidare aeronave și detectare optică a câmpului magnetic, datorită capacității lor de a fi detectate în diferite modele. optic și magnetic 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Datorită materialelor bifuncționale magnetice-optice convenționale, sunt produse prin combinarea materialelor optice cu materialele magnetice, ceea ce duce la separarea fazelor optice și magnetice, este foarte dificil să se realizeze interacțiunea dintre proprietățile optice și magnetice (de exemplu, reglarea proprietăților optice după câmpul magnetic ) 8, 9, 10, 11. Materialele dopate cu ioni de pământ rar (RE) sunt candidații ideali pentru aceste funcții, deoarece au niveluri bogate de energie de 4 f în frecvență optică, tunabilitatea interacțiunii magneto-optice utilizând un câmp magnetic extern și fotostabilitate excelentă 12, 13, 14, 15,

Mai multe lucrări recente arată că interacțiunile magneto-optice pot fi observate simultan în diferite materiale prin dopaj RE, de exemplu nano-sticlă-ceramică dopată Er 3+ 8, YVO 4: Er 3+ 16, 17, Gd203: Er 3+, Yb 3+ 11, 18, NaGdF4: Er 3+, Yb 3+ 19, 20, Nd3 + NaGdF4 co-dopat: Er 3+, Yb 3+ nanocristale 21 etc. În aceste materiale, intensitățile de luminescență ale benzilor de emisii de ioni RE scad treptat (sau cresc) odată cu creșterea (sau scăderea) câmpului magnetic aplicat. În plus, NaNbO 3 are o structură de perovskit și proprietăți excelente, cum ar fi piezoelectric, feroelectric, optoelectronic, optică neliniară și altele în comparație cu aceste substraturi. Am studiat în continuare a doua generație armonică optică (SHG) a microNano-cristalelor individuale de NaNbO3 cu morfologii și dimensiuni diferite, care au prezentat reacții puternice neliniare ale SHG 22. Datorită avantajelor sale și pe baza bazei noastre de cercetare, am ales NaNbO 3 ca material gazdă pentru a gestiona perechea clasică de ioni de conversie în sus Er 3+/Yb 3+, care poate converti fotonii cu infraroșu cu energie redusă în energie vizibilă cu energie ridicată ușoară.

rezultate si discutii

Puritate de fază, structură și morfologie

( A ) Modelele XRD ale NaNbO 3 și NaNbO 3: 2% Er 3+, 20% Yb 3+ nanocristale. ( b ) Structura cristalină a NaNbO3 cubic. ( c ) Imaginea TEM a nanocristalelor NaNb03. (d) Distribuția dimensiunii nanocristaline a NaNbO 3.

Imagine la dimensiune completă

Proprietățile MUL ale nanocristalelor NaNbO 3 co-dopate Er 3+/Yb 3+

Figura 2 arată efectul creșterii câmpului magnetic extern (până la 40 T) asupra proprietăților MUL ale Er 3+: 4 S 3/2 → 4 I 15/2 și 4 F 9/2 → 4 I 15/2 tranziții în NaNb03: nanocristale 2% Er 3+, 20% Yb 3+ la spectre de emisie de 77 K [(a), (b) intensități de luminescență integrate]. Câmpul magnetic este într-o direcție paralelă cu radiația excitantă. Radiația radiată este monitorizată într-o direcție paralelă cu câmpul magnetic aplicat, precum și cu radiația excitantă. În absența unui câmp magnetic, această probă emite radiații foarte puternice cu benzile de emisie 530-570 nm și 642-685 nm la o excitație laser de 976 nm (

150 mW putere), care corespunde 4 S 3/2 → 4 I 15/2 și 4 F 9/2 → 4 I 15/2 tranziții ionice Er3 +, respectiv 16, 17, 21. Ionii Yb 3+ acționează ca sensibilizatori la ionii Er 3+. Intensitatea luminiscenței integrate a ambelor benzi de emisie crește mai întâi cu câmpurile magnetice aplicate și apoi scade odată cu creșterea câmpurilor magnetice aplicate. Intensitatea luminiscenței integrate Er 3+: 4 S 3/2 → 4 I 15/2 ar putea crește la aproximativ 200% din valoarea inițială în câmpul magnetic aplicat până la 30 T și intensitatea luminiscenței integrate Er 3+: 4 F 9/2 → 4 I 15/2 ar putea crește până la aproximativ 540% din valoarea inițială în câmpul magnetic aplicat până la 20 T. Din Figura 2 este clar că emisiile din carcasa electronică 4 tranziții fn (4 S 3/2 → 4 I 15/2 și 4 F 9/2 → 4 I 15/2) de ioni Er 3+ pot fi reglați eficient prin schimbarea câmpului magnetic aplicat la 77 K.

Influența câmpurilor magnetice pulsate externe (până la 40 T) asupra proprietăților MUL 4 S 3/2 → 4 I 15/2 și 4 F 9/2 → 4 I 15/2 Er 3+ tranziții ionice (excitate) folosind un 976 nm laser) în nanocristale Er 3+/Yb 3+ de NaNb03 depuse simultan la 77 K [ A ) spectre de emisie, b ) intensități de luminiscență integrate].

Imagine la dimensiune completă

Efectul „agitare” este amestecarea stărilor folosind un câmp magnetic. Acest efect există numai în materia condensată în care stările atomice sunt separate de un câmp cristalin. Mai mult, pentru a studia efectul „amestecării” asupra subnivelelor Stark ale tranziției Er 3+: 4 S 3/2 → 4 I 15/2 și 4 F 9/2 → 4 I 15/2 în câmpul magnetic, vârfurile benzilor de emisie sunt adaptate depunerii Gaussiene multiple și sunt analizate. Banda de emisii Er 3+: 4 S 3/2 → 4 I 15/2 este echipată pentru trei vârfuri de 542 nm, 547 nm și 553 nm și banda de emisii Er 3+: 4 F 9/2 → 4 I 15/2 sa plasate pe două vârfuri la 658 nm și 671 nm. Definim viteza intensităților de vârf integrate la 553 nm și 542 nm ale joncțiunii 4 S 3/2 → 4 I 15/2 și vârfurile la 671 nm și 658 nm ale joncțiunii 4 F 9/2 → 4 I 15/2, aceștia sunt indicii R = I (553 nm, vârf 3)/I (542 nm, vârf 1) și R = I (671 nm, vârf 5)/I (658 nm, vârf 4), care ar putea fi folosiți pentru analiza efectului de "amestecare" la tranziția subnivelului Stark Er 3+: 4 S 3/2 → 4 I 15/2 și 4 F 9/2 → 4 I 15/2 în diferite câmpuri magnetice, așa cum se arată în fig. 3. Efectul de „amestecare” (interacțiunea spin-orbitală) ar putea provoca o energie externă (AE) pentru fiecare nivel de energie nedegenerat în câmpurile magnetice aplicate, care poate fi descris prin următoarea ecuație (derivarea aferentă este dată în apendice) 25:

Imagine la dimensiune completă

( A, c ) spectre de emisie 4 S 3/2 → 4 I 15/2 ( A ) și 4 F 9/2 → 4 I 15/2 ( c ) tranziții ale ionilor Er3 + în nanocristale NaNb03 la diferite câmpuri magnetice la 77 K. ( b, d ) Dependența schimbării energiei de câmpul magnetic pentru tranziția 4 S 3/2 → 4 I 15/2 centrul benzii de emisie la 611 nm ( b ) și 4 F 9/2 → Centrul benzii de emisie 4 I 15/2 la 671 nm ( d ).

Imagine la dimensiune completă

unde Δσ este schimbarea energiei în numărul de undă (cm −1), ΔE1 și ΔE2 sunt energia externă înainte și după tranziția în câmpul magnetic.

Ecuația (2) arată că decalajul de energie dintre sub-nivelurile Stark crește odată cu creșterea câmpului magnetic, sub-benzile superioare se deplasează într-o poziție mai înaltă în diagrama nivelului de energie, în timp ce sub-benzile inferioare se deplasează în poziția inferioară, ducând la o creștere a benzii de emisie. Pentru tranzițiile Er 3+: 4 S 3/2 → 4 I 15/2 și 4 F 9/2 → 4 I 15/2 în nanocristale NaNbO 3, relațiile dintre schimbarea poziției benzii de emisie și cea magnetică intensitatea câmpului sunt prezentate în FIG. 4 (b, d). Influența schimbării energiei asupra intensității câmpului magnetic este neliniară în câmpurile magnetice aplicate, ceea ce este ușor incompatibil cu relația liniară conform ecuației (2). Această dependență neliniară poate fi atribuită variației Lande

Intensitatea emisiilor de conversie sus I UP este proporțională cu forța a n-a a intensității de excitație în infraroșu I IR, care este:

unde n este numărul de fotoni ai pompei necesari pentru a excita ionii de pământ rar de la starea de bază la starea de emisie 27, 28 .

Imagine la dimensiune completă

Pentru mai multe informații despre procesele de luminiscență de conversie în sus a ionilor Er 3+ în NaNbO 3: nanocristale Er 3+/Yb 3+, curbele de descompunere 4 S 3/2 → 4 I 15/2 și 4 F 9/2 → 4 I 15/2 Tranzițiile ionice Er3 + sunt măsurate la excitație de 976 nm. Așa cum se arată în Figura 6, curbele de dezintegrare Er 3+ (A exc: 976 nm) se pot încadra într-o singură funcție exponențială, cum ar fi 29, 30:

Imagine la dimensiune completă

unde I și I 0 sunt intensitatea luminiscenței la timpul ta 0, A este constantă, t este timpul și τ reprezintă durata de viață a exponentului. Durata de viață a 4 stări S3/2 și 4F 9/2 a ionilor Er3 + pentru NaNb03: nanocristalele Er3 +/Yb 3+ este de 40 și 61 μs.

Posibile procese de luminiscență ale reglării magnetice sunt propuse sub un câmp magnetic extern, așa cum se arată în Figura 7. Emisia 4 S 3/2 → 4 I 15/2 și emisia 4F 9/2 → 4 I 15/2 Er 3+ Ioni în nanocristale NaNb03: Er 3+/Yb 3+ sunt ambele procese cu doi fotoni. Reducerea simetriei amplasamentului are ca rezultat împărțirea multipletului 4S3/2 în două dublete Kramer, care se caracterizează prin proiecții ◽ ± 1/2> și ◽ ± 3/2> din impulsul total J = 3/2 și 4F Multipletul 9/2 este împărțit în cinci dintre dubletele Kramers, caracterizate prin proiecții ◽ ± 1/2>, ◽ ± 3/2>, ◽ ± 5/2>, ◽ ± 7/2> și ◽ ± 9/2> de impuls total J = 9/2 (în care unele subnivele Stark sunt degenerescența câmpului cristalin). Dacă se utilizează un câmp magnetic extern, tranziția fără radiații de la ionii 4 I 11/2 la 4 I 13/2 Er 3+ este îmbunătățită și efectul de amestecare are loc prin câmpul magnetic, care ar putea afecta energiile tranzitorii. și determinați intensitatea și lățimea liniilor spectrale.

Er 3+ niveluri de energie ionică ( A ) și distribuția nivelurilor de energie 4 S 3/2 ( b ) și 4 F 9/2 ( c ) a ionului Er3 în nanocristale NaNbO3 3 din câmpul de cristal.

Imagine la dimensiune completă

concluzii

În concluzie, nanocristalele bifuncționale magneto-optice NaNbO 3: Er 3+, Yb 3+ au fost sintetizate cu succes prin metoda sol-gel Pechini, constând din ionul luminescent Er 3+. Proprietățile de luminiscență de conversie în sus ale nanocristalelor NaNb03: Er 3+, Yb 3+ sunt reglate eficient folosind un câmp magnetic la temperatură scăzută. Lărgirea spectrelor conversiei în sus a fost observată cu câmpul magnetic, care ar putea fi atribuit efectului „amestecării” indus de câmpul magnetic și factorului diferenței g al sub-benzilor. Luminiscența crescută a fost observată odată cu creșterea intensității câmpului magnetic, care s-ar fi putut datora în principal trecerii nemediate de la ionii 4 I 11/2 la 4 I 13/2 Er3 + și „amestecarea” îmbunătățită. câmpul apare din câmpul magnetic extern. Acest material bifuncțional cu interacțiuni optico-magnetice controlabile are aplicații potențiale în comunicarea de înaltă precizie, imagistica prin rezonanță magnetică (RMN), vizarea sau livrarea medicamentului, ghidarea aeronavei și detectarea câmpului magnetic optic.

metode

Sinteza materialelor

Nanocristalele de niobat de sodiu (NaNbO 3) co-dopate cu lantanidă (Ln = Er, Yb) (dopanți 2% Er 3+, 20% Yb 3+ în raport cu ionii Na + din structură) au fost pregătiți cu succes folosind sol-gelul Pechini metodă. Materiile prime au fost carbonat de sodiu (Na2C03, AR), azotat de lantanidă (Ln (NO3) 3 xx H2O, 99, 99%), oxalat de amoniu niobiu ((NH4) 3 [NbO (C2O 4)]. 3], AR), acizi lămâie (CA, AR) și etilen glicol (EG, AR). 0,1% mol CA a fost adăugat la 10 ml apă sub agitare și încălzire într-un creuzet la 90 ° C. După dizolvarea CA, cantitatea corectă de (NH 4) 3 [NbO (C 2 O 4) 3] a fost dizolvată în apă și apoi s-au adăugat cantități stoichiometrice de Na2C03 și Ln (NO3) 3xx H2O. în soluția limpede și apoi EG a fost adăugat la soluție. Amestecurile finale au fost amestecate bine și încălzite la 120 ° C timp de 6 ore până când s-au obținut geluri de culoare maro sau galben clar. În cele din urmă, pentru a obține nanocristale de NaNbO 3: Er 3+, Yb 3+, precursorii gelului au fost calcați la 700 ° C timp de 5 ore într-un cuptor muffle sub atmosferă.

Metode de caracterizare

Structura cristalină și puritatea fazelor probelor preparate au fost examinate prin difracție de raze X (XRD) (analiză Bruker, D8 ADVANCE cu radiație Cu Ka tratată la 40 kV și 40 mA, λ = 0,1555418 nm, etapa de scanare 0,02 °, viteza de scanare 0, 1 s pe pas). Morfologia și distribuția mărimii probelor au fost observate prin microscopie electronică cu transmisie de înaltă rezoluție (HRTEM, JEOL 2100 F). Emisiile de conversie la temperatura camerei au fost măsurate cu un spectrofluorometru de înaltă rezoluție (FLS920, Edinburgh Instruments, Livingston, Marea Britanie) echipat cu o diodă laser de 976 nm ca sursă de excitație. Un filtru de trecere de 800 nm (LP) (Andover, Salem, NH) a fost folosit pentru a întrerupe luminile cu lungime de undă scurtă ale sursei laser simulate. Timpul de conversie a luminiscenței ascendente a fost colectat cu un spectrometru (Omni-A3007, Zolix, Beijing, China) cu un osciloscop digital (TDS 2012B, Tektronix, Beaverton, OR) și o diodă laser pulsată ca sursă de excitație (LE-LS-976 ). -5000TFCA, LEO fotoelectric, Shenzhen, China).

Spectrele MUL sub un câmp magnetic pulsat au fost măsurate folosind un sistem similar cu fibre optice descris anterior 16, 17. Schema pentru experimentele MUL în câmpuri magnetice pulsate este prezentată în FIG. 8. Un câmp magnetic pulsat de până la 40 T a fost generat de un magnet cu bobină de rezistență răcită cu azot lichid cu o durată a impulsului de 290 ms și o latură de cădere de 270 ms, care a fost aplicată probei. Proba a fost plasată în centrul câmpului magnetic cu o sondă optică. Un fascicul laser iradiat cu radiație laser cu diodă de 976 nm a fost introdus în sondă printr-o fibră multimodă și luminat direct pe probă. Spectrul MUL a fost obținut cu aceeași fibră. Semnalul MUL a fost înregistrat de EM-CCD (Andor, DU970P) printr-un monocromator (Andor, SR500). Toate măsurătorile au fost examinate la temperatura camerei, cu excepția faptului că măsurarea spectrului MUL în câmpul magnetic a fost răcită la 77 K.

Imagine la dimensiune completă

Informatii suplimentare

Documente Word

Informatii suplimentare

Comentarii

Prin trimiterea unui comentariu, sunteți de acord să respectați Termenii și condițiile și Regulile comunității. Dacă găsiți ceva jignitor sau nu respectați termenii sau liniile directoare, marcați-l ca fiind nepotrivit.