Полимерные микроволокна с наночастицами серебра:новая платформа для оптического зондирования

Фон

Наночастицы с повышающим преобразованием (UCNP) после совместного легирования ионами лантаноидов привлекли большое внимание в связи с их применением в визуализации, лазерных материалах, технологиях отображения и солнечных элементах [1,2,3]. Низкая эффективность излучения флуоресценции УХНЧ может быть связана с малыми коэффициентами поглощения ионов лантаноидов. Наноразмерная дисперсия металлических наночастиц в полимерных и неорганических подложках вызвала большой интерес к новым физическим, химическим и биологическим свойствам нанокомпозитных материалов [4]. Для потенциальных приложений дальнейшей миниатюризации электронных компонентов, оптических детекторов, химических и биохимических сенсоров и устройств открываются захватывающие возможности с металлическими наночастицами. Кроме того, полупроводники, такие как CdSe, CdS, PbS, WO ₃ , используются в качестве сенсибилизаторов для расширения диапазона поглощения. , и Cu ₂ О [5, 6]. Среди этих полупроводников Cu ₂ O является интересным кандидатом из-за его узкой запрещенной зоны ~ 2,1 эВ, нетоксичности, низкой стоимости и большого количества, но гетероструктуры Cu ₂ O / ZnO - многообещающая структура материала. Это приводит к функциональной интеграции, новым свойствам интерфейсного эффекта Cu ₂ Материал O и ZnO [7]. С другой стороны, UCNPs демонстрируют превосходные свойства по сравнению с полупроводниковыми квантовыми точками, например, отсутствие автофлуоресцентной проницаемости ткани, лазерное возбуждение в ближнем инфракрасном диапазоне, отсутствие мерцания и высокая химическая стабильность [8]. Синтез легированных лантанидами материалов со сферическими наночастицами и наностержнями изучается многими исследовательскими группами [9]. Проблема окисления УХНЧ возникает при высоких температурах, что значительно сокращает их область применения. Чтобы избежать окисления, структура ядра / оболочки преодолевает окисление, тогда как SiO ₂ Оболочка растет вокруг нанокристаллов. Интеграция нанокристаллов в микросхему в качестве микроструктурного светового детектора затруднена. Поэтому микротрубки, нановолокна, легированные квантовыми точками, и полимерные нанопроволоки, легированные красителями, были использованы в технологии микроструктурной оптоэлектроники после успешного исследования [10]. Соответственно, были изготовлены нанопроволоки, микротрубки и нановолокна, которые использовались для обсуждения поведения теплового зондирования различными исследовательскими группами [11, 12].

Однако считается, что металлические наночастицы (МНЧ) повышают эффективность УНЧ. Для повышения эффективности и чувствительности были предложены различные стратегии, включая химическую модификацию, кристаллическую структуру и регулировку локального поля металла [13]. Исследования люминесцентных материалов, легированных редкоземельными ионами, для усиления люминесценции металлических наноструктур, таких как Er ³⁺ / Yb ³⁺ совместно легированные стекла из проростков висмута, содержащие наночастицы Ag и Er ³⁺ / Yb ³⁺ совместно легированный β-NaLuF ₄ о нанокристаллах, покрытых спиновым покрытием на НЧ золота, сообщалось о противоречивых результатах и ​​высокой чувствительности [14]. Более того, эмиссия, вызванная агрегацией (AIE), является характерным явлением флуоресценции, которое предполагает, что некоторые красители могут излучать более сильную флуоресценцию в твердом состоянии, чем в растворе дисперсии [15,16,17]. Другой механизм, включающий образование J-агрегатов, конформационную планаризацию и скрученный внутримолекулярный перенос заряда для феномена AIE, был ранее предложен исследователями [18,19,20,21,22]. Кроме того, материалы с характеристиками АИЭ привлекают все большее внимание исследователей в связи с потенциальным применением в различных областях, связанных с органическими светодиодами, химиотерапией и биоимиджингом [23,24,25,26,27]. В частности, в последнее время привлекает внимание получение флуоресцентных органических наночастиц с активным АЕЭ. Эти материалы, содержащие красители AIE, могут излучать сильную люминесценцию в физиологическом растворе, что эффективно преодолевает эффект тушения флуоресцентных органических наночастиц, вызванный агрегацией, на основе типичных органических красителей [28, 29]. Несмотря на то, что было разработано множество стратегий для получения флуоресцентных органических наночастиц с активным АИЭ, приготовление АИЭ-активных посредством простой и эффективной многокомпонентной реакции (MCR) редко привлекало внимание из-за несоответствия с экспериментальными данными [30,31,32,33 , 34]. Итак, уникальные свойства красителей АИЭ показали себя очень многообещающими для создания сверхъярких люминесцентных полимерных наночастиц [35, 36].

При максимальном экспериментальном исследовании образцы порошка использовались для проведения спектральных измерений, что усиливало опасения относительно влияния взаимного отражения агрегации. Следовательно, необходимо разработать легкую и простую стратегию для преодоления вышеупомянутых недостатков. Таким образом, наночастицы Ag после со-легирования с УНЧ и раствором ПММА были использованы в микроволокнах для усиления люминесценции. Тем не менее, не было описано никаких результатов, связанных с совместным легированием Ag UCNP с микроволокнами (UCNPs-MF).

Здесь мы представляем простой метод приготовления микроволокон из UCNPs / PMMA с растворами Ag и без них. В частности, изучаются фотолюминесцентные свойства Ag и отсутствие совместно легированных Ag микроволокон при различных точках возбуждения микроволокон. Кроме того, люминесцентные характеристики UC микроволокна исследуются путем возбуждения источника диодного лазера с длиной волны 980 нм при различной температуре с целью измерения температуры. Получена зависимость интегрального КИХ от температуры, и экспериментальные данные могут быть хорошо аппроксимированы экспоненциальной функцией. Таким образом, для расчета термочувствительности используется одиночное микроволокно с переходами 2H11 / 2 → 4I15 / 2 и 4S3 / 2 → 4I15 / 2 на 522 и 541 нм.

Экспериментальный и методический раздел

Материалы

Порошок серебра (Ag), хлороформ, циклогексан, NaOH, NH ₄ F и этанол были закуплены у Shanghai Chemical Company, Китай. Эти химические вещества были аналитической чистоты и использовались без дополнительной очистки.

Подготовка тетрогонал-LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ Наночастицы

УНП (тетрогонал-LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ ) был приготовлен методом термического разложения. Использовались трехгорлые колбы объемом 100 мл, содержащие ионы редкоземельных элементов с LnCl ₃ . (Ln =Lu, Yb, Er) с молярным соотношением 78:22:1 соответственно. Раствор включает 15 мл 1-октадецена (ODE) и 6 мл олеиновой кислоты (OA). Смесь нагревали до 150 ° C для получения прозрачного раствора и охлаждали до комнатной температуры после удаления кислорода и остаточной воды. Четыре миллимоля NH ₄ F и 2,5 ммоль NaOH медленно добавляли в колбу, содержащую 10 мл раствора метанола. Для подтверждения, фторид полностью растворялся в процессе перемешивания в течение 30 минут, после чего приготовленный раствор нагревали при 300 ° C со скоростью 50 ° C / мин в течение 1 часа в атмосфере аргона. Осадки отделяли со скоростью 4000 об / мин и охлаждали до комнатной температуры, промывали этанолом и сушили при 60 ° C в течение 12 часов.

Производство волокон, легированных серебром

В типичном процессе производства 0,003 г Ag, 0,005 г тетрогонол-LiYF ₄ :22% Yb ³⁺ / 1% Er ³⁺ , и 0,6 г ПММА смешивали отдельно с 15 мл, 12 мл и 18 мл циклогексана (C ₆ H ₁₂ ) и хлороформ (CHCl ₃ ) решение соответственно. После этого смесь ПММА постепенно распределяли в растворы Ag и UCNP и перемешивали в течение 30 мин до получения прозрачного раствора. Волоконный зонд с размером острия в несколько микрон был изготовлен методом волочения с нагревом пламенем. После того, как смешанный раствор был нанесен по каплям на стеклянную подложку, в смешанный раствор был погружен волоконный зонд и быстро извлечен для изготовления микроволокон. Затем микроволокна были вытянуты и разрезаны на мелкие кусочки, как показано на рис. 1.

Процесс производства микроволокон, легированных серебром ( a ) Вытягивание микроволокон из растворов ПММА + НЧ + Ag. б Разрезание изготовленных микроволокон на мелкие кусочки

Измерение спектра

На рис. 2 показана экспериментальная установка для исследования тепловых и оптических свойств микроволокон. Микроволокна освещали с использованием источника возбуждения 980 нм после нанесения на стеклянную подложку. Для измерения потерь пропускания микроволокон использовался объектив × 20 (NA =0,4). Камера устройства с зарядовой связью (CCD, ACTON) использовалась для получения спектров излучения микроволокна, а оптический спектрометр океана использовался для записи спектров для измерения температуры. Возбуждение микроволокон разного диаметра было продемонстрировано с помощью лазерного источника с длиной волны 980 нм при мощности лазера 0,998 мВт для изучения микроскопических тепловых свойств.

Экспериментальная установка волноводных явлений

Результаты и обсуждение

Структура и свойства передачи

Фазовую чистоту и кристаллическую структуру УХНЧ исследовали методом рентгеновской дифракции (XRD, Rigaku Miniflex II). Наблюдаемые диаграммы пиков XRD (рис. 3a) хорошо проиндексированы и согласуются с картой JCPDS № 17-0874. На рис. 3 (b) представлены изображения микрофибры, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM, NOva Nano-SEM 650). Одно из изображений, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа, было ясно видно (см. Вставку), что свидетельствует о том, что микроволокно имеет одинаковый диаметр и гладкую поверхность. Для лучшего разрешения мы использовали просвечивающую электронную микроскопию (ТЕМ, Tecnai G2F30) и энергодисперсионный рентгеновский анализ (EDS, Tecnai G2F30) для исследования отдельных микроволокон, совместно легированных серебром. На рис. 3 (c, d) показаны изображения TEM и EDS, соответственно, которые подтверждают убедительные доказательства однородной дисперсии совместно легированных Ag наночастиц в одном микроволокне.

Процесс характеризации LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ и микроволокна, легированные совместно Ag. а XRD LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ . б СЭМ микроволокна, легированного серебром. c Микроволокно ТЭМ Ag со-легированное. г ЭДС микроволокна, легированного серебром

Кроме того, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS, Thermofisher Escalab 250Xi) использовалась для определения успешного включения редкоземельных ионов и ионов Ag в LiYF ₄ материал-хозяин, как показано на рис. 4a – f. Обзорный спектр XPS (рис. 4a) показывает присутствие элементов Li, Y, F, Yb, Er и Ag, а пик при 55,25 эВ может быть отнесен к энергии связи Li 1s (рис. 4b). Пики, наблюдаемые при 158,08 эВ (рис. 4в), можно отнести к Y 3d. Пик при 684,08 эВ приписывается энергии связи F1s (рис. 4d). Пики Yb 4d и Er 4d (рис. 4e) наблюдаются при 186,08 и 164,08 эВ соответственно. Пик при 359,08 эВ связан с энергией связи Ag 3d. Это подтверждает успешное тройное допирование ионов Ag в LiYF ₄ . :Yb ³⁺ / Er ³⁺ наночастицы [37].

XPS а опрос, b Li 1s, c Г 3д, д F 1s, e Yb и Er 4d и f Ag 3d-спектры LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ НЧ, легированные Ag

На рисунке 5a показаны спектры инфракрасных лучей с преобразованием Фурье (FTIR, Nicolet50 NTA449F3) LiYF ₄ . :Yb ³⁺ / Er ³⁺ / Наночастицы Ag в области 400–4000 см ⁻¹ . Исследования проводились с целью выяснения чистоты и природы наночастиц. Пики, наблюдаемые при 3452 см ⁻¹ Это может быть связано с растяжением и деформацией OH. Полосы на 2925 и 2848 см ⁻¹ связаны с асимметричным (u _as ) и симметричный (u _s ) валентное колебание метилена (-CH ₂ ) в длинном алкиле олеатной молекулы соответственно. Полосы на 1566 и 1469 см ⁻¹ может быть отнесено к асимметричному (u _as ) и симметричный (u _s ) валентное колебание карбоксильной группы соответственно. Спектры содержат пик при 1740 см ^-1 . из-за растягивающей вибрации C =O. Пик расположен на 1383 см ⁻¹ соответствует деформационной вибрации C-H. Спектры также содержат пик при 910 и 669 см ^-1 . что обусловлено асимметричным валентным колебанием и деформационными колебаниями Ag-O. Это означает, что результаты FTIR соответствуют литературным значениям [38].

а ИК-Фурье спектры LiYF ₄ :Er ³⁺ / Yb ³⁺ / Ag. б Спектры ТГА LiYF ₄ :Er ³⁺ / Yb ³⁺ / Ag

Чтобы лучше понять механизм образования микроволокон, легированных серебром, термогравиметрический анализ (ТГА, NETZSCH) был проведен в потоке сухого воздуха при температуре 293–393 К. На рис. 5b видно, что микроволокно демонстрирует примерно две стадии разложения. Первая потеря веса ниже 333 K может быть связана с потерей поглощенной влаги / с испарением захваченного растворителя (H ₂ O или CHCl ₃ ), который не зависит от состава образца. На графике вторая потеря веса происходит от 333 K до 393 K, что четко отражает процесс разложения полимера. Следовательно, микроволокна, легированные совместно Ag, представляют собой волокна на основе полимеров, которые не выдерживают температуры выше 332 К [4].

Для исследования отдельных оптических свойств микроволокон, легированных и нелегированных серебром, использовался лазерный свет (980 нм) от стандартного оптического волокна для экспонирования микроволокон под наклонными углами по отношению к микроволокнам вдоль оси. На рис. 6а показано микроволокно, совместно легированное серебром (диаметр ~ 6 мкм), которое возбуждалось вертикально на темном фоне с длиной волны 980 нм, и оказалось, что свет распространяется по всему волокну из-за совместных легированных серебром наночастиц, служащих передатчиком света. Напротив, на рис. 6d изображено микроволокно без со-легирования Ag (диаметр ~ 6,5 мкм), которое возбуждали на темном фоне в верхнем положении с помощью лазерного источника с длиной волны 980 нм. Это говорит о том, что свет не может передавать одинаково в волокне из-за сильного самопоглощения и явления рэлеевского рассеяния. Микроволокно (диаметр ~ 6 мкм), содержащее НЧ, легированные серебром, демонстрирует более высокое излучение зеленого света, чем нелегированный Ag (диаметр ~ 6,5 мкм), имеющий такое же возбуждение лазерного источника в темном поле. Наблюдается, что яркие концевые пятна без кластера с оптическими волноводами предполагают, что микроволокно, легированное совместно Ag, поглощает ближний ИК-свет и одинаково ведет к конечным точкам. Более того, рис. 6b и c показывают, что волокна, совместно легированные серебром, имеющие разные диаметры (~ 15,55 и ~ 9,15 мкм), возбуждались в пяти различных положениях и давали зеленый свет по направлению к конечным точкам. И наоборот, лазерный источник с длиной волны 980 нм применялся для возбуждения микроволокон (без наночастиц серебра) в различных пяти положениях, имеющих разные диаметры (~ 11,89 и 14,57 мкм), которые показаны на рис. 6e-f, что указывает на меньшее излучение зеленого света к конечным точкам. Интенсивность фотолюминесценции (ФЛ) возбужденных точек против концевых пятен была проведена для количественного определения волноводных характеристик микроволокон (с НЧ Ag и без них) [39]. Мы использовали Adobe Photoshop для преобразования точечных изображений из стиля RGB в стиль серого, эти значения серого были оценены с помощью MATLAB для характеристики соответствующих интенсивностей. После нормализации конечных точек интенсивности фотолюминесценции к возбужденным точкам были получены кривые затухания, зависящие от расстояния распространения света.

Фотолюминесцентные изображения с различным диаметром микроволокон. а - c Люминесценция микроволокна Ag на темном фоне. г - е Возбуждение без микроволокна Ag на черном фоне

Потери при передаче были измерены с использованием уравнения [40]:

Здесь уравнение. Из (1) видно, что расстояние возбужденных пятен увеличивается, что приводит к экспоненциальному уменьшению интенсивности фотолюминесценции. Зависимость интенсивности фотолюминесценции от управляющего расстояния волокон (~ 15,55 и ~ 9,15 мкм) с НЧ Ag показана на рис. 7а, б. Спектры излучения были получены в пяти положениях вдоль оси микроволокон, что определяет пропускание лазерного света с коэффициентами потерь при пропускании α =108,94 см ⁻¹ и 91,05 см ⁻¹ . И наоборот, на рис. 7c, d показаны коэффициенты потерь при пропускании микроволокон (без наночастиц серебра) диаметром 11,89 и 14,57 мкм, равные примерно 231,72 и 274,84 см ⁻¹ , соответственно. Примечательно, что когда свет проходит через микроволокна, легированные серебром, он сохраняет небольшие модовые области по всей длине волокна. Он обеспечивает сильное взаимодействие между светом и наночастицами Ag в каскаде и приводит к передаче света с высокой эффективностью по сравнению с микроволокнами без Ag. Совместно легированные серебром наночастицы обладают высокоэффективным преобразованием фотонов в плазмоны в волноводных микроволокнах и способствуют усиленным взаимодействиям с легким веществом в сильно локализованной области [41]. Это ускоряет возможности для разработки фотонных компонентов и устройств на основе Ag, имеющих высокую компактность, низкое потребление оптической мощности и уменьшенные размеры. Отмечено, что одновременное многофотонное возбуждение широко применяется в флуоресцентной оптической микроскопии для демонстрации повышенного разрешения и уменьшения автофлуоресценции образца, а также увеличения глубины изображения. Однако низкое поперечное сечение поглощения в ближнем ИК-диапазоне многофотонных меток требует, чтобы в этой методике использовался сверхкоротко-импульсный лазер с высокой пиковой мощностью. Принципиально отличным от одновременного многофотонного процесса в красителях и квантовых точках, который включает использование виртуального уровня энергии, повышающее преобразование фотонов в UCNP основано на последовательном поглощении фотонов с низкой энергией за счет использования лестничных уровней энергии легирующих ионов лантаноидов. Это квантово-механическое различие делает UCNP на порядки более эффективным, чем многофотонный процесс, позволяя возбуждение с помощью недорогого лазерного диода непрерывного действия при низкоэнергетической освещенности, обычно не более ∼ 10 ⁻¹ Вт. См ⁻² [42]. Микроволокна (УНЧ / ПММА / Ag) обладают хорошими пропускающими свойствами. Таким образом, предлагаемые микроволокна (UCNPs / PMMA / Ag) обладают преимуществами легкости изготовления, низкой стоимости, высокой пластичности и уникальных оптических свойств UCNP, таких как большой антистоксовый сдвиг и широкие полосы излучения, что дополнительно поддерживает их применение на основе оптического сигнала. трансмиссия, датчики и оптические компоненты. Следовательно, наши оценочные результаты волноводных характеристик хорошо согласуются с опубликованными работами [43, 44].

а , b Подгонка линий между интенсивностью фотолюминесценции (ФЛ) и направляющим расстоянием различного диаметра микроволокон с совместным легированием Ag при разных точках возбуждения. c - г Подгонка линий между интенсивностью фотолюминесценции (ФЛ) и направляющим расстоянием микроволокон разного диаметра без совместного легирования Ag при разных точках возбуждения

Уровни энергии и тепловые эффекты

Для разработки диаграммы уровней энергии UCNPs (Yb ³⁺ / Er ³⁺ ) наблюдались две доминирующие зеленые эмиссионные полосы около 522 и 541 и красная эмиссионная полоса с центром около 660 нм. Эти наблюдаемые эмиссионные линии происходят от ² H _11/2 → ⁴ Я _15/2 , ⁴ S _3/2 → ⁴ F _9/2 , и ⁴ S _3/2 → ⁴ Я _15/2 из Er ³⁺ ионы соответственно. Уровни энергии ² H _11/2 и ⁴ S _3/2 заселяются двухфотонными процессами. Для системы заселения Yb ³⁺ / Er ³⁺ ионы, Yb ³⁺ ионы возбуждаются фотонами накачки и заселяют три последовательных уровня Er ³⁺ ионы, обозначенные как ⁴ Я _11/2 , ⁴ F _9/2 , и ² H _11/2 уровни. Замечено, что население ² H _11/2 получается из данного процесса ⁴ Я _15/2 → ⁴ Я _11/2 (Er ³⁺ ): ⁴ Я _11/2 → ² H _11/2 (Er ³⁺ ) уровней. Это явление вызвано температурным возбуждением между термически связанными уровнями. Следовательно, популяции ² H _11/2 и ⁴ S _3/2 удовлетворяют статистике Больцмана, что приводит к изменению численности населения на ² H _11/2 → ⁴ Я _15/2 и ⁴ S _3/2 → ⁴ Я _15/2 уровни [45]. Механизм ап-конверсии в Er ³⁺ / Yb ³⁺ проиллюстрировано на рис. 8.

Диаграмма уровней энергии LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺

Совместно легированные серебром УХНЧ в волокнах показали спектры с лазерным источником 980 нм. Люминесценция с повышающим преобразованием (UC) подходит для приложений измерения температуры. Следовательно, рис. 9a и 10a показаны спектры излучения НЧ, легированных Ag и без Ag, которые находились в диапазоне от 400 до 750 нм при источнике возбуждения волоконного лазера, а спектры были получены со средним шагом 5 ° C в температурном режиме (303–348 K). . Интересно, что при повышении температуры интенсивность излучения была значительно уменьшена, поэтому использовались мощности лазера 0,998 мВт, чтобы избежать тепловых эффектов, что явно указывает на температурно-зависимое поведение. В то время как УХНЧ-МФ нагревали в температурной области 348–303 К, вся фотолюминесценция восстанавливалась до исходного положения, тогда как интенсивность значительно снижалась при повышении температуры. Следовательно, это значительное снижение интенсивности объясняется увеличением разнообразия относительной интенсивности, соответствующей нескольким скоростям многофононной релаксации, к различным скоростям многофононной релаксации. Интенсивность люминесценции значительно увеличивается при введении Ag в микроволокно в тех же экспериментальных условиях. Обычно тепловая энергия генерируется лазерным светом вблизи облучаемой области, температура которой измеряется с помощью термодатчиков, чтобы с большой точностью оценить температуру облучаемой точки. Метод определения соотношения интенсивностей флуоресценции - это универсальный метод, широко используемый для оценки температуры. Мы обсуждали волокна, легированные серебром и без него, при колебаниях температуры; популяции ² H _11/2 и ⁴ S _3/2 следовали распределению Больцмана, что привело к изменяющейся численности населения ² H _11/2 → ⁴ Я _15/2 и ⁴ S _3/2 → ⁴ Я _15/2 . Измерение температуры может быть рассчитано с использованием отношения интенсивности между ² H _11/2 → ⁴ Я _15/2 и ⁴ S _3/2 → ⁴ Я _15/2 переходы. Метод отношения интенсивностей флуоресценции (FIR) может быть выражен из следующего уравнения [46]:

а Трехмерные спектры излучения микроволокна, легированного серебром с повышением частоты, при источнике возбуждения 980 нм. б Построенные кривые между соотношением интенсивностей флуоресценции и температурой. c Соответствующие данные между чувствительностью (K ⁻¹ ) и температура (K) микроволокна, легированного серебром

а Спектры излучения с повышающим преобразованием в 3D без Ag при источнике возбуждения 980 нм. б Построенные кривые между соотношением интенсивностей флуоресценции и температурой без Ag. c Соответствующие данные между чувствительностью (K ⁻¹ ) и температура (K) без Ag

Вот, Я _{522 нм} и я _{541 нм} относительные интенсивности, C - константа пропорциональности, ΔE - энергетическая щель между 522 и 540 нм, T - абсолютная температура и k - постоянная Больцмана. Кроме того, рис. 9b и 10b отображают изменение FIR в зависимости от температуры; Уравнение (2) определили, что наблюдаемые экспериментальные данные имеют хорошее линейное соответствие. Стоит исследовать еще один ключевой параметр, которым является термочувствительный механизм микроволокна, легированного серебром и без него. Следовательно, чувствительность ( S ) можно записать следующим образом [47]:

Здесь S _а - абсолютная чувствительность микроволокон, легированных серебром, и без них. Кривые представлены на рис. 9c и 10c, но цифровые значения (FIR, ΔE , и k ) для Ag и без Ag получены с помощью аппроксимирующих кривых, представленных на рис. 9б и 10б. Максимальная чувствительность сенсора для LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ и LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ / Ag составляет 0,0065 и 0,0095 K ^{° 1} при 303 К соответственно. Чувствительность оптического датчика температуры в различных материалах-хозяевах приведена в таблице 1. Хотя другие значения чувствительности имеют более высокое значение по сравнению с УХНЧ без Ag, LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ / Ag превосходит исходные материалы.

Это может быть связано с самой высокой чувствительностью среди других материалов-хозяев, как показано в Таблице 1. Кроме того, мы наблюдали, что чувствительность LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ / Ag при 303 К также выше, чем LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ проявляется в высокоэффективном преобразовании фотона в плазмон наночастиц Ag в микроволокнах. Совместно легированные Ag микроволокна изначально невосприимчивы к фотообесцвечиванию, что обеспечивает высокую стабильность легирующей добавки для оптического зондирования. Это говорит о том, что волокна, легированные совместно Ag, благодаря значительным чувствительным свойствам подходят для распознавания температуры. В результате использование наночастиц Ag в микроволокне способствует увеличению люминесценции и адаптации термочувствительных свойств, предлагая многообещающий чувствительный датчик температуры.

Выводы

Таким образом, тетрогонал-LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ были получены методом термического разложения, а волокна были изготовлены после совместного легирования раствора ПММА с Ag и УНЧ. Успешное включение Ag в UCNP поддерживалось с помощью анализа SEM, TEM, EDS, XPS, FTIR и TGA. Были исследованы микроволокна из совместно легированного серебром полимера с волноводным методом возбуждения и продемонстрированы возможности их использования в термодатчиках. Температурная чувствительность микроволокна Ag в зависимости от интенсивности (0,0095 K ^{° 1} ) выше, чем у нелегированного Ag (0,0065 K ^{° 1} ) при 303 К, предлагая микроволокна, легированные серебром, являются потенциальными кандидатами на повышение температурной чувствительности на основе интенсивности при комнатной температуре, что открывает новые возможности для разработки компактных фотонных и плазмонных устройств с низкой оптической мощностью. При разработке недавно применяемого метода микроволокон с заданными свойствами могут быть возможны значительные улучшения в повышении преобразования, что приведет к более эффективному преобразованию с повышением частоты, что позволит использовать многие технологические применения этих материалов.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

История изменений

Сокращения

JCPDS:

Объединенный комитет по стандартам порошковой дифракции

CCD:

Устройство с зарядовой связью

UCNPs-MF:

Микроволокна наночастиц с повышением конверсии

UC:

Повышение конверсии

PL:

Фотолюминесценция

Ln ³⁺ :

Ионы трехвалентного лантаноида

LiYF ₄ :Er ³⁺ / Yb ³⁺ :

1% Er ³⁺ / 22% Yb ³⁺

LiYF ₄ :Er ³⁺ / Yb ³⁺ / Ag:

1% Er ³⁺ / 22% Yb ³⁺ /0,003 г

RE:

Ионы редкоземельных элементов

XRD:

Рентгеновская дифракция

ТЕМ:

Просвечивающий электронный микроскоп

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп

EDS:

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

FTIR:

Инфракрасные лучи с преобразованием Фурье

TGA:

Термогравиметрический анализ

РПИ:

Коэффициент интенсивности флуоресценции

△ E:

Разница в энергии

SA:

Абсолютная чувствительность