I ricercatori guidati da Hong Zhang presso il Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences dell'Università di Amsterdam sono stati in grado di fornire informazioni sulle dinamiche microscopiche del trasferimento e della conversione dell'energia nei fosfori drogati. Utilizzando nanostrutture dedicate e modellazione al computer, sono stati in grado di determinare quantitativamente il meccanismo di interazione tra le impurità idrossiliche ei centri di luminescenza all'interno dei fosfori drogati con lantanidi. Le loro scoperte, che sono appena stati pubblicati dalla rivista Nature Luce:scienza e applicazioni , contribuirà allo sviluppo del romanzo, materiali di conversione ad alta efficienza.

I fosfori sono sostanze capaci di luminescenza, emissione di luce in caso di esposizione a radiazioni elettromagnetiche. Possono essere trovati in applicazioni diverse come tubi a raggi catodici, Illuminazione a LED, e vernici luminose. Particolarmente interessante è il loro uso come materiali di conversione in cui emettono un fotone all'assorbimento di diversi fotoni di energia inferiore. Questo "jacking" della luce dalle frequenze più basse a quelle più alte può essere utilizzato, ad esempio, per spostare la luce del vicino infrarosso (NIR) di un economico laser milliwatt a onda continua verso un livello superiore, frequenze visibili e persino nella regione spettrale dell'ultravioletto (UV). Le potenziali applicazioni dell'upconversion sono nella spettroscopia a super risoluzione, archiviazione dati ad alta densità, anticontraffazione, e imaging biologico e terapia fotoindotta.

Le proprietà ottiche dei fosfori upconversion dipendono fortemente dal verificarsi di difetti e impurità, che spesso hanno gravi effetti negativi sul trasferimento e sulla conversione dell'energia. Svelare i meccanismi di interazione sottostanti, però, è piuttosto una sfida poiché è quasi impossibile quantificare adeguatamente il verificarsi di difetti e impurità. Nella loro carta in Luce:scienza e applicazioni , Hong Zhang e collaboratori ora mostrano che questo dilemma può essere efficacemente districato applicando nanostrutture.

La rilevanza delle impurità idrossiliche

I ricercatori hanno studiato particelle di dimensioni nanometriche costituite da fluoruri di ittrio di sodio drogati con ioni lantanidi. Questi sono uno dei materiali di conversione della luminescenza più efficaci, ma le loro prestazioni risentono della presenza di idrossile (OH ^- ) impurità. Questi vengono facilmente introdotti durante la sintesi dei materiali e possono ridurre le prestazioni di conversione non lineare fino a tre ordini di grandezza. Le impurità idrossiliche si verificano sia sulla superficie che all'interno della nanoparticella.

Il ruolo dell'OH . rilevante in superficie ^- sulle proprietà di luminescenza è stato ormai ben documentato tramite approcci come il rivestimento a conchiglia. Svelare il meccanismo di interazione dell'OH . interno ^- impurità, però, difficilmente è stato segnalato principalmente perché quantificare il loro contenuto è molto macchinoso. Hong Zhang e i suoi collaboratori sono stati ora in grado di separare con successo gli effetti della superficie rilevante OH ^- e l'OH ^- all'interno della nanoparticella sulla dinamica di conversione dei fotoni.

Usando la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR) hanno determinato il contenuto di OH- interno con un errore relativo inferiore al 15%. Su questa base, combinato con modelli teorici, sono stati in grado di collegare le interazioni microscopiche ione-ione e ione-impurità a fenomeni macroscopici di luminescenza di conversione verso l'alto. Questo ha portato, tra gli altri, ad una spiegazione meccanicistica del fenomeno osservato in studi correlati che l'intensità di luminescenza di conversione verso l'alto mostra una legge di decadimento esponenziale con l'aumento di OH ^- contenuto (vedi figura sopra).

Sintesi efficace di materiali di conversione

Poiché era noto che la sintesi in un ambiente strettamente secco può aumentare sostanzialmente l'efficienza di luminescenza di conversione, Zhang e i suoi collaboratori hanno deciso di regolare l'OH . interno ^- contenuto di impurezze delle nanoparticelle attraverso l'essiccamento selettivo delle diverse fasi di sintesi. Sono quindi stati in grado di regolare l'intensità della luminescenza entro un intervallo in cui l'intensità massima era 30 volte maggiore dell'efficienza minima. Ma ancora più importante, introducendo un metodo di prova FTIR, hanno scoperto che l'intensità del picco di assorbimento a ~3400 cm ^-1 misurato in un ambiente con acqua pesante può essere utilizzato in modo affidabile per caratterizzare quantitativamente l'OH ^- impurità contenute nella nanoparticella.

Così, con la capacità di regolazione quantitativa dell'OH- e NaYF . interni ₄ nanostrutture core/shell, i ricercatori hanno esplorato le dinamiche microscopiche dell'upconversion dei fotoni sotto l'azione dell'OH . interno ^- impurità sia dal punto di vista sperimentale che teorico. La previsione dalle simulazioni del modello che sia la durata della luminescenza del sensibilizzatore Yb ³⁺ e l'intensità di emissione di upconversion diminuisce esponenzialmente con il contenuto di OH ^- è ben confermato sperimentalmente, e vengono determinati i relativi parametri di interazione.