(a) Progettazione schematica di una nanoparticella core-shell-shell NaYF4:Yb/Tm@NaErF4:Ce@NaYF4 per l'upconversion del domino (pannello di sinistra) e il meccanismo di trasferimento di energia proposto nella nanoparticella. (b) Un'immagine di microscopia elettronica a trasmissione a scansione di campo scuro anulare ad alto angolo (HAADF-STEM) delle nanoparticelle NaYF4:Yb/Tm@NaErF4:Ce@NaYF4, evidenziando la struttura a strati. Credito:City University di Hong Kong
I dispositivi di emissione di luce ultravioletta forti e coerenti hanno un enorme potenziale di applicazione medica e industriale, ma generare l'emissione di luce ultravioletta in modo efficace è stato impegnativo. Recentemente, un gruppo di ricerca collaborativo guidato da ricercatori della City University di Hong Kong (CityU) ha sviluppato un nuovo approccio per generare un laser ultravioletto profondo attraverso un'elaborazione "domino upconversion" di nanoparticelle utilizzando la luce del vicino infrarosso, che è comunemente usata in dispositivi di telecomunicazione. I risultati forniscono una soluzione per la costruzione di laser ad alta energia miniaturizzati per biorilevamento e dispositivi fotonici.
Nel mondo dei nanomateriali, "upconversion di fotoni" significa che quando il nanomateriale è eccitato dalla luce o da fotoni con una lunghezza d'onda lunga e bassa energia, emette luce con una lunghezza d'onda più corta e un'energia maggiore, come la luce ultravioletta.
Sfida nel raggiungimento dell'upconversion dei fotoni
La conversione dei fotoni caratterizzata da emissioni ad alta energia per eccitazione di fotoni a bassa energia è di eccezionale interesse tra gli scienziati. Questo perché ha il potenziale per la costruzione economicamente vantaggiosa di dispositivi miniaturizzati per emissioni di ultravioletti profondi, che hanno un enorme potenziale di applicazione medica e industriale, come la sterilizzazione microbica e la strumentazione biomedica. Tuttavia, il processo di upconversion dei fotoni ha una flessibilità limitata, poiché si verifica principalmente in speciali ioni lantanidi che comprendono insiemi fissi di livelli di energia.
Un gruppo di ricerca guidato dal professor Wang Feng, del Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali, e dal professor Chu Sai-tak, del Dipartimento di fisica della CityU, insieme al dottor Jin Limin dell'Harbin Institute of Technology (Shenzhen), ha vinto l'ostacolo introducendo una tattica di "upconversion del domino".
Progettazione strutturale speciale di nanoparticelle
L'upconversion di Domino è come una reazione a catena, in cui l'energia accumulata in un corso di upconversion innesca un altro successivo processo di upconversion. Utilizzando un microrisonatore a forma di ciambella, incorporato con "nanoparticelle di upconversion" appositamente progettate, il team ha generato con successo un'emissione di luce ultravioletta profonda ad alta energia a 290 nm mediante l'eccitazione di fotoni infrarossi a bassa energia a 1550 nm.
"Poiché la lunghezza d'onda di eccitazione era nella gamma di lunghezze d'onda delle telecomunicazioni, le nanoparticelle possono essere prontamente utilizzate e integrate nella comunicazione in fibra ottica esistente e nei circuiti fotonici senza complicate modifiche o adattamenti", ha affermato il professor Wang. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Communications , dal titolo "Ultralarge anti-Stokes che colpisce attraverso l'upconversion in tandem".
L'idea di costruire una "upconversion del domino" è stata ispirata da uno studio precedente sul trasferimento di energia nelle nanoparticelle core-shell dei professori Wang e Chu. Il design della struttura core-shell della nanoparticella consente il processo di luminescenza multifotonica in erbio (Er 3+ ) ioni. Adattando un protocollo sintetico simile, il team ha costruito con successo nanoparticelle "core-shell-shell" attraverso un metodo di chimica umida per esplorare il meccanismo di trasferimento di energia degli ioni lantanidi, incluso il tulio (Tm 3+ ) ioni.
Microrisonatore a forma di ciambella
Attraverso l'attenta progettazione della composizione e della concentrazione del doping in diversi strati o gusci delle nanoparticelle di upconversion, il team ha ottenuto con successo una combinazione tandem di Er 3+ e Tm 3+ processi di upconversion basati su ioni (upconversion di domino). Nell'esperimento, Er 3+ gli ioni contenuti nel guscio esterno hanno risposto all'eccitazione del fotone nel vicino infrarosso di 1550 nm, una lunghezza d'onda situata nell'intervallo delle telecomunicazioni. Incorporando le nanoparticelle in una cavità del microrisonatore a forma di ciambella, il team ha ulteriormente generato un microlaser ultravioletto di alta qualità, che dimostra un'azione laser a 289 nm per 1550 nm di eccitazione.
"Le nanoparticelle di upconversion agiscono come 'convertitori di lunghezza d'onda' per moltiplicare l'energia dei fotoni infrarossi incidenti", ha spiegato il professor Wang. Si aspetta che i risultati aprano la strada alla costruzione di laser miniaturizzati a lunghezza d'onda corta e afferma che potrebbero ispirare nuove idee per la progettazione di circuiti fotonici. Ha aggiunto che il laser ultravioletto miniaturizzato che utilizza questa tecnologia di upconversion del domino può fornire una piattaforma per il biorilevamento sensibile, come il rilevamento della secrezione di cellule tumorali, monitorando l'intensità e la soglia del laser, che offre un grande potenziale di applicazione biomedica in futuro. + Esplora ulteriormente
