Полимерные микроволокна со встроенным серебром для усиленного оптико-конверсионного сенсирования

Аннотация

Мы сообщаем о простом маршруте fabricación полимерных микроволокон, включающих наночастицы конверсии (UCNPs) ко-допированные серебром (Ag). Полученные микроволокна LiYF₄:Yb³⁺/Er³⁺/Ag демонстрируют потери передачи α = 108,94 см⁻¹ и температурную чувствительность 0,0095 K⁻¹ при 303 K, превосходя свои аналоги без Ag (0,0065 K⁻¹). Повышенная производительность обусловлена эффективной фотон-плазмонной конверсией в наноинклюзиях Ag, которая усиливает конверсионную люминесценцию и улучшает волноводные свойства. Эта платформа предлагает низкозатратный, масштабируемый путь к высокопроизводительным оптическим температурным сенсорам и фотонным компонентам.

Фон

Наночастицы конверсии (UCNPs), допированные ланثанидами, все чаще используются в биообразовании, лазерах, дисплеях и фотоэлектрике благодаря их большому анти-Стоксовскому сдвигу, химической стабильности и устойчивости к фотоблеканию. Однако слабое сечение поглощения ионов лантаноидов ограничивает флуоресцентный выход. Внедрение металлических наноструктур, особенно серебра, в UCNPs или полимерные матрицы показывает усиление локальных электромагнитных полей, тем самым повышая эффективность конверсии. Хотя Ag-допированные UCNPs изучались в объемной или тонкопленочной форме, их интеграция в микроволокна — ключевые строительные блоки для он-чип фотоники — оставалась неизведанной.

Экспериментальный и методологический раздел

Материалы

Аналитическое серебро в порошке, хлороформ, циклогексан, NaOH, NH₄F и этанол были приобретены у Shanghai Chemical Company и использованы без дополнительной очистки.

Подготовка LiYF₄:Yb³⁺/Er³⁺ наночастиц

UCNPs синтезировали термическим разложением. В 100-мл трехшейной колбе содержались соли LnCl₃ (Lu:Yb:Er = 78:22:1) в 15 мл 1-октадецена и 6 мл олеиновой кислоты, нагретые до 150 °C для прояснения раствора. После дегазации, 4 ммоль NH₄F и 2,5 ммоль NaOH добавляли в 10 мл метанола, мешали 30 мин, затем смесь нагревали до 300 °C (50 °C мин⁻¹) под Ar в течение 1 ч. Наночастицы центрифугировали (4000 об/мин), вымывали этанолом и сушили при 60 °C в течение 12 ч.

Фабрикация Ag-ко-допированных волокон

0,003 г Ag, 0,005 г UCNPs и 0,6 г PMMA диспергировали отдельно в 15 мл, 12 мл и 18 мл циклогексана или хлороформа. Раствор PMMA постепенно добавляли к растворам Ag и UCNPs и мешали 30 мин до прозрачности. Пламенный метод вытягивания использовали для получения микроволокон из смешанного раствора, которые затем резали на сегменты (Рис. 1).

Спектральные измерения

Рисунок 2 иллюстрирует экспериментальную установку. Микроволокна возбуждали 980 нм CW лазером (0,998 мВт) и располагали на стеклянном подложке. ×20 объектив (NA = 0,4) собирал прошедший свет, а CCD камера записывала эмиссионные спектры. Температурно-зависимые измерения проводили с Ocean Optics спектрометром.

Результаты и обсуждение

Структура и передаточные свойства

XRD паттерны подтвердили чистую тетрагональную фазу LiYF₄ (JCPDS #17-0874). SEM изображения (Рис. 3b) показывают гладкие, равномерного диаметра волокна (~6 мкм). TEM и EDS (Рис. 3c-d) верифицируют однородную дисперсию Ag в полимерной матрице. XPS спектры (Рис. 4) подтверждают наличие Li, Y, F, Yb, Er и Ag, с энергией связи Ag 3d 359,08 эВ, указывающей на успешное три-допирование.

FTIR (Рис. 5a) показывает характерные C–H, C=O и Ag–O вибрации, подтверждая включение полимера и Ag. TGA (Рис. 5b) раскрывает две стадии деградации: потеря влаги ниже 333 K и декомпозиция полимера между 333–393 K, указывая на термическую стабильность до ~332 K.

Фотолюминесцентная визуализация (Рис. 6) демонстрирует, что Ag-ко-допированные волокна эффективно передают зеленую эмиссию по всей длине, в то время как без Ag волокна демонстрируют более сильное само-поглощение и Рэлеевское рассеяние. Количественный анализ интенсивности против расстояния направления (Рис. 7) дает коэффициенты потерь 108,94 см⁻¹ (Ag) и 231,72–274,84 см⁻¹ (без Ag). Снижение потерь в Ag-допированных волокнах атрибутируется усиленной фотон-плазмонной связи и более тесному режимовому замыканию.

Энергетические уровни и тепловые эффекты

Конверсионные спектры показывают зеленые полосы при 522 нм (²H₁₁/₂→⁴I₁₅/₂) и 541 нм (⁴S₃/₂→⁴I₁₅/₂) и красную полосу ~660 нм (⁴F₉/₂→⁴I₁₅/₂). Эти эмиссии возникают от последовательного энергетического переноса между Yb³⁺ насоса и Er³⁺ активаторами.

Температурно-зависимые измерения (Рис. 9) показывают, что отношение флуоресцентных интенсивностей (FIR) между двумя зелеными полосами следует экспоненциальной зависимости (Уравнение 2) с линейной аппроксимацией натурального логарифма против 1/T. Абсолютная чувствительность (Уравнение 3) достигает 0,0095 K⁻¹ при 303 K для Ag-ко-допированных волокон, превосходя 0,0065 K⁻¹ без Ag. Это улучшение подтверждает, что Ag наночастицы существенно повышают термометрическую производительность UCNPs микроволокон.

Заключения

Мы продемонстрировали масштабируемый, низкозатратный метод производства серебро-содержащих полимерных микроволокон, загруженных LiYF₄:Yb³⁺/Er³⁺ UCNPs. Комплексные структурные, оптические и тепловые анализы подтверждают, что Ag наноинклюзии усиливают волноводное направление, снижают потери передачи и увеличивают конверсионную интенсивность, ведущие к 45% улучшению температурной чувствительности при комнатной температуре. Эти находки открывают путь к компактным, высокопроизводительным оптическим сенсорам и фотонным устройствам, использующим плазмонно-усиленную конверсию.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.