투명 Er3+ 도핑된 육각형 NaGdF4 유리 세라믹의 Tm3+ 수정 광학 온도 거동

초록

어³⁺ -도핑 및 Er³⁺ -Tm³⁺ -공동 도핑된 투명 육각형 NaGdF₄ 유리 세라믹은 용융 담금질 방법을 통해 제조됩니다. Er³⁺ 의 방출 -도핑된 NaGdF₄ 유리 세라믹은 Tm³⁺ 의 농도를 변화시켜 녹색에서 빨간색으로 조정됩니다. 980 nm의 여기에서 이온. 스펙트럼, 열 소광 비율, 형광 강도 비율 및 투명 유리 세라믹의 광학 온도 감도는 펌프 파워에 의존하는 것으로 관찰됩니다. 상대 감도의 최대값은 0.001K⁻¹ 에 도달합니다. Er³⁺ 에서 334K -도핑된 NaGdF₄ , Tm³⁺ 과 공동 도핑하여 더 낮은 온도 범위로 이동합니다. 이온이며 최대값은 0.00081 K⁻¹ 입니다. at 292 K. 이 작업은 Er³⁺ 의 광학 온도 거동을 개선하는 방법을 제시합니다. -도핑된 NaGdF₄ 유리 도자기. 또한 상대 감도 S_R Er³⁺ 에서 980nm 레이저의 펌프 출력에 의존하는 것으로 입증되었습니다. -도핑된 NaGdF₄ 및 Er³⁺ -Tm³⁺ -공동 도핑된 NaGdF₄ .

<섹션 데이터-제목="배경">

배경

적외선을 가시광선으로 변환하는 것은 상향 변환(UC) 과정, 특히 3가 란탄족 이온(Ln³⁺ )-도핑된 UC 재료[1,2,3,4,5], 적외선 복사, 태양 전지 및 광학 온도 감지의 가시광선 감지에 광범위하게 적용되기 때문입니다[6,7,8,9,10]. 이러한 응용 중 형광 강도 비율(FIR) 기술을 기반으로 하는 광학 온도 센서는 나노 스케일의 온도를 측정하는 좋은 방법으로 보고되었습니다[11, 12]. 어³⁺ 인접한 열 결합 에너지 준위의 두 쌍(² H_11/2 , ⁴ S_3/2 ) 및 (² D_7/2 , ⁴ G_9/2 ), 상대 방출 강도는 온도에 크게 의존합니다[13]. Santos 등은 상향 변환 형광 방출을 사용하여 광학 온도 감지의 최대 감도가 Er³⁺ 에서 0.0052/°C임을 조사했습니다. -Yb³⁺ 공동 도핑된 Ga₂ S₃ :라₂ O₃ 칼코겐화물 유리 [14]. León-Luis et.al은 온도 센서가 0.0054K⁻¹ 의 가장 높은 감도를 가지고 있음을 조사했습니다. Er³⁺ 기준 fluorotellurite 유리에서 녹색 상향 변환 방출 [15]. Du et al. Er³⁺ /Yb³⁺ -공동 도핑된 Na_0.5 Gd_0.5 MoO₄ 나노 입자의 최대 감도는 0.00856K⁻¹ 였습니다. 이는 도펀트 농도와 무관합니다[16]. Zheng et al. Er³⁺ 의 5광자 상향 변환 방출 관찰 감도가 가장 높은 광학 온도 감지의 경우 0.0052K⁻¹ [17]. 그러나 이러한 기사는 Er³⁺ 의 민감도를 보고했습니다. - 주로 호스트 매트릭스에 의해 영향을 받고 여기 전력에 대한 영향에 대한 연구가 부족한 도핑된 광학 온도 재료. 사실, 열적으로 결합된 에너지 준위의 강도는 여기 전력의 강도에 따라 달라질 것입니다. Wang et al. Er³⁺ 의 열적으로 결합된 에너지 수준에서 열 담금질 비율과 온도 민감도를 발견했습니다. -도핑된 투명 Sr_0.69 라_0.31 F_2.31 유리 세라믹은 펌프 동력에 의존했습니다[18]. Bednarkiewicz의 그룹은 가장 높은 감도 값이 LiYbP₄의 펌프 전력에 의존한다는 것을 관찰했습니다. O₁₂ :0.1%Er³⁺ 나노결정[19]. Er³⁺ 에서도 유사한 결과가 보고되었습니다. -도핑된 Y₂ SiO₅ 분말 [20]. 형광 강도 비율이 여기 전력에 의해 영향을 받았기 때문에 다른 여기 전력에서의 광학 온도 측정은 달랐습니다. 따라서 다양한 여기 전력에서 광학 온도 거동을 탐색하는 것이 필요합니다.

보고된 호스트 물질 중 NaGdF₄ 나노결정은 다양한 광학 활성 Ln³⁺ 에 대한 우수한 발광 호스트 매트릭스로 확인되었습니다. 상대적으로 낮은 포논 에너지와 우수한 화학적 안정성으로 인해 광학 온도 센서에서 사용됩니다[21, 22]. 커플 열 결합 에너지 수준 기반 ² H_11/2 그리고 ⁴ S_3/2 /³⁺ 이온, Er³⁺ 의 광학 온도 특성 -도핑된 NaGdF₄ 보고되었다[23]. 그러나, 위에서 언급한 작업은 Er³⁺ 의 광학적 온도 특성에 대한 여기 전력의 영향을 고려하지 않았습니다. -도핑된 NaGdF₄ . Er³⁺ 의 광학 온도 속성 이온은 열적으로 결합된 에너지 수준의 녹색 방출 강도의 상대적 변화에 따라 다릅니다. ² H_11/2 그리고 ⁴ S_3/2 수준. Er³⁺ 의 발광 이온은 Tm³⁺ 에 의해 조정되었습니다. Er³⁺ 에서 에너지 전달을 통한 이온 이온을 Tm³⁺ 으로 이온 [24,25,26,27,28]. 따라서 Er³⁺ 의 광학적 속성은 -도핑된 NaGdF₄ 유리 세라믹은 Tm³⁺ 의 도입으로 조정될 수 있습니다. 이온.

이 문서에서 Er³⁺ 단일 도핑 및 Er³⁺ -Tm³⁺ -공동 도핑된 육각형 NaGdF₄ 유리 세라믹은 위에서 언급한 문제를 설명하기 위해 제작되었습니다. Er³⁺ 의 발광은 -도핑된 NaGdF₄ 유리 세라믹은 Tm³⁺ 의 농도를 제어하여 녹색에서 빨간색으로 조정됩니다. 이온. 도핑 Tm의 효과³⁺ 열 소광 비율에 대한 이온, 열 결합 수준의 인구 메커니즘 및 온도 민감도는 다른 여기 전력을 사용하여 관찰됩니다. Er³⁺ 의 광학적 온도 감도가 관찰되었습니다. -도핑 및 Er³⁺ -Tm³⁺ -공동 도핑된 NaGdF₄ 유리 세라믹은 낮은 온도 필드에 대한 여기 전력의 증가와 함께 상당히 증가했으며 322.4mW/cm2 미만에서 최대 감도에 도달했습니다. 흥분.

방법

몰 조성이 70.1SiO₂인 유리 세라믹 샘플 -4.3Al₂ O₃ -1.8AlF₃ -2.3Na₂ CO₃ -18.5NaF-(2.4-x)Gd₂ O₃ -0.6Er₂ O₃ -xTm₂ O₃ (x =0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2)는 각각 NGF1, NGF2, NGF3, NGF4 및 NGF5로 표시되는 용융 담금질 방법으로 제조되었습니다. SiO₂의 고순도 시약 , Al₂ O₃ , AlF₃ , 나₂ CO₃ , NaF, Gd₂ O₃ , 어₂ O₃ 및 Tm₂ O₃ 원료로 사용되었습니다. 정확하게 칭량된 20g 배치의 원료를 완전히 혼합된 상태로 막자사발에서 분쇄한 다음 1600°C에서 45분 동안 덮인 커런덤 도가니에서 녹였습니다. 용융물을 황동 몰드 플레이트에 빠르게 주조하고 압축했습니다. 얻어진 유리 세라믹을 700℃에서 20시간 동안 소둔하여 소둔로에서 결정화 과정을 거쳐 투명한 세라믹을 형성하였다. 모든 샘플은 추가 특성화를 위해 광학적으로 연마되었습니다. Tm³⁺ 의 역할을 더 잘 비교하려면 이온, NGF1 및 NGF3는 주로 대조 샘플에 사용됩니다.

샘플의 구조는 1.54056 nm에서 Kα 방사선이 있는 Cu 튜브가 제공된 XTRA(Switzerland ARL) 장비를 사용하여 X선 회절(XRD)에 의해 조사되었습니다. 시료의 형태와 크기는 투과전자현미경(JEOL JEM-2100)으로 관찰하였다. 발광 스펙트럼은 여기 소스로서 크세논 램프가 장착된 광전자 증배관이 있는 Acton SpectraPro SP-2300 분광 광도계에 의해 획득되었습니다. INSTEC HCS302 Hot and Cold System을 사용하여 다양한 온도 스펙트럼을 얻었습니다.

결과 및 토론

Er³⁺ 의 구조적 특성 -Tm³⁺ -공동 도핑된 투명 NaGdF₄ 그림 1과 같이 투과전자현미경(TEM), 고해상도 투과전자현미경(HRTEM), XRD를 통해 유리 세라믹을 연구하였다. 회색 배경 및 NaGdF₄ 크기 결정자는 그림 1a와 같이 약 30-55 nm입니다. 그림 1b에서 HRTEM 이미지는 관찰된 면간 거리가 약 0.23 nm인 격자 무늬를 보여줍니다. 이는 NaGdF₄의 (111) 결정면에 기인할 수 있습니다. 결정체. 그림 1c에서 볼 수 있듯이 모든 회절 피크의 위치와 강도는 육각상 NaGdF₄로 쉽게 지정할 수 있습니다. 표준 XRD 패턴(JCPDS 27-0667)을 기반으로 하며, 이는 육각상 NaGdF₄ 결정성 성질을 가진 용융 담금질 방법으로 쉽게 제조할 수 있습니다.

<그림>

(아 ) TEM 및 (b ) NGF3의 HRTEM 현미경 사진. ㄷ NGF3의 XRD 패턴(JCPDS 27-0699)

320에서 1600 nm까지의 NGF1 및 NGF3의 흡수 스펙트럼이 그림 2에 나와 있습니다. 이것은 바닥 상태(450 nm 흡수 제외)에서 고에너지 준위로의 전이에 해당합니다. 그림에 표시되어 있습니다. 378, 405, 488, 520, 652, 972 및 1532 nm의 흡수 피크는 Er³⁺ 의 전이에 할당됩니다. 바닥 상태의 이온 ⁴ 나_15/2 들뜬 상태로 ⁴ G_11/2 , ² H_9/2 , ⁴ F_7/2 , ² H_11/2 , ⁴ F_9/2 , ⁴ 나_11/2 , 및 ⁴ 나_13/2 , 각각. Tm³⁺ 의 흡수 피크 이온은 450 및 1206 nm를 가지며 에너지 전달에 해당하는 ¹ D₂ →³ F₄ 그리고 ³ H₅ →³ H₆ . Tm³⁺ 을 도핑한 후 파장을 흡수하는 800nm에서 피크의 모양 변화가 주목됩니다. 이온; Er³⁺ 에 의해 흡수될 수 있습니다. 이온 및 Tm³⁺ 함께 이온. 공동 도핑된 샘플에서 약 800 nm의 흡수는 전이 Er³⁺ 에서 비롯될 수 있습니다. :⁴ 나_15/2 →⁴ 나_9/2 및 Tm³⁺ :³ H₆ →³ H₄ , 각각.

<그림>

NGF1 및 NGF3의 흡수 스펙트럼

샘플 NGF1, NGF2, NGF3, NGF4 및 NGF5의 실온 상향 변환된 발광 스펙트럼은 980nm 레이저 다이오드의 여기 하에 조사됩니다. Er³⁺ 의 특성 방출 300 ~ 900 nm 범위의 이온이 그림 3a에서 명확하게 관찰될 수 있습니다. 509nm(NGF1), 542nm(녹색, NGF3) 및 660nm(빨간색, NGF3)에 있는 방출 대역은 ² 에 할당됩니다. H_9/2 →⁴ 나_15/2 , ⁴ S_3/2 →⁴ 나_15/2 , 및 ⁴ F_9/2 →⁴ 나_15/2 Er³⁺ 의 전환 , 각각. 그림 3a와 같이 Tm³⁺ 을 추가하면 이온 및 농도가 증가하면 509nm 방출이 사라지고 542nm 파장 강도가 먼저 감소한 다음 변화가 분명하지 않습니다. 한편, 660 nm 파장은 먼저 증가한 다음 감소합니다. 542 nm 파장과 600 nm 파장 강도 사이의 상대적인 변화를 명확하게 나타내기 위해 빨간색 대 녹색 강도 비율이 그림 3b에 나와 있습니다. 빨간색 대 녹색 강도 비율이 먼저 증가한 다음 Tm³⁺ 으로 특정 범위의 기복을 유지합니다. 이온 농도가 증가했습니다. 그림 3a, b와 함께 Tm³⁺ 에 따라 다른 파장의 발광 강도가 변경되었습니다. 피크의 위치가 변하지 않는 동안 이온 도핑. 따라서 Tm³⁺ 이온은 Er³⁺ 에서 수정된 발광 효과가 있습니다. -도핑된 NaGdF₄ 유리 도자기.

<그림>

(아 ) 발광 스펙트럼 및 (b ) 1%Er3+,x%Tm3+-공동 도핑된 NaGdF4의 적색 대 녹색 강도 비율(x =0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2)

Tm³⁺ 을 분석하려면 변형 발광, 에너지 준위 다이어그램 및 광 발광 메커니즘이 그림 4에 나와 있습니다. Er³⁺ 단일 도핑된 NaGdF₄ , 509 nm, 542 nm(녹색) 및 660 nm(빨간색) 방출 밴드는 ² 에서 전환을 통해 관찰됩니다. H_9/2 , ⁴ S_3/2 그리고 ⁴ F_9/2 ⁴ 상태 나_15/2 상태를 각각. Er³⁺ 공동 도핑 및 Tm³⁺ NaGdF₄의 이온 , 980 nm 여기에서 980 nm 광자의 흡수는 Er³⁺ 의 직접적인 여기를 초래합니다. 지상에서 이온 ⁴ 나_15/2 흥분된 역에 상태 ⁴ 나_11/2 바닥 상태 흡수(GSA) 과정을 통해 상태. 그런 다음 Er³⁺ ⁴ 의 이온 나_11/2 상태가 상위 스테이션으로 승격됩니다. ⁴ F_7/2 여기 상태 흡수(ESA)를 통해 상태. ⁴ 에서 일련의 비방사성 이완(NR) 후 나_7/2 , 542nm(녹색), 660nm(빨간색) 방출 밴드가 ⁴ 에서 전환을 통해 관찰됩니다. S_3/2 그리고 ⁴ F_9/2 ⁴ 상태 나_15/2 상태를 각각. 그리고 녹색 방출은 Er³⁺ 에서 에너지 전달(ET)에 의해 감소됩니다. Tm³⁺ 까지 (5, 그림 4):Er³⁺ (⁴ S_3/2 )+Tm³⁺ (³ H₆ )→어³⁺ (⁴ 나_9/2 )+Tm³⁺ (³ F₄ ) [29]. 대조적으로 ⁴ 의 인구는 F_9/2 레벨은 다음과 같은 ET 프로세스를 기반으로 합니다(6, 그림 4). Er³⁺ (⁴ 나_11/2 )+Tm³⁺ (³ F₄ )→어³⁺ (⁴ F_9/2 )+Tm³⁺ (³ H₆ ) 이미 확인된 바 있다[25, 30]. 660nm 방출 향상에는 두 가지 중요한 에너지 준위가 있습니다. Er³⁺ (⁴ 나_11/2 ) 및 Tm³⁺ (³ F₄ ); Er³⁺ 인구 (⁴ 나_11/2 ) Er³⁺ 의 NR 프로세스를 통해 이루어집니다. (⁴ 나_9/2 ); 그러나 Tm³⁺ (³ F₄ )는 세 가지 종류의 ET를 통해 채워질 수 있습니다. 첫 번째(ET1, 그림 4)는 Er³⁺ 입니다. (⁴ 나_13/2 )→Tm³⁺ (³ F₄ ); 두 번째(ET2, 그림 4)는 Er³⁺ 입니다. (I_11/2 )→Tm³⁺ (³ H₅ ) ³ 의 후속 NR H₅ (Tm³⁺ ) ~ ³ F₄ (Tm³⁺ ); 세 번째는 앞서 언급한 녹색 배출 감소의 에너지 전달입니다. Er³⁺ (⁴ S_3/2 )+Tm³⁺ (³ H₆ )→어³⁺ (⁴ 나_9/2 )+Tm³⁺ (³ F₄ ). 무화과와 결합. 3a 및 4, Tm³⁺ 으로 녹색 방출이 크게 감소했습니다. 이온 도핑; Er³⁺ 의 동부 표준시 (⁴ S_3/2 )+Tm³⁺ (³ H₆ )→어³⁺ (⁴ 나_9/2 )+Tm³⁺ (³ F₄ ) Tm³⁺ 의 인구를 지배할 수 있습니다. (³ F₄ ). 그리고 적색 방출은 큰 Tm³⁺ 에서 소멸됩니다. 집중. 이는 ET(ET3, 그림 4)에 기인할 수 있습니다. ⁴ F_9/2 (Er³⁺ )→³ F₂ (Tm³⁺ ).³⁰ 위의 분석과 결합하여 Er³⁺ 의 에너지 전달을 나눌 수 있습니다. -Tm³⁺ 발광 시스템은 두 부분으로 나뉩니다. (a) 여기 상태 ⁴ 나_11/2 바닥 상태 흡수에서 들뜬 상태 흡수를 거쳐 더 높은 스테이션까지 상태 ⁴ F_7/2 Er³⁺ 의 상태 , ⁴ 에서 마침내 비방사성 이완을 통해 나_7/2 , 542 nm(녹색), 660 nm(빨간색) 방출 밴드가 관찰됩니다. (b) 적색 방출 인구와 녹색 방출 인구 감소는 에너지 루프 Er³⁺ 에 기인할 수 있습니다. (⁴ S_3/2 ) →어³⁺ (⁴ 나_9/2 ) →어³⁺ (⁴ 나_11/2 ) →Tm³⁺ (³ F₄ ) →어³⁺ (⁴ F_9/2 ), Tm³⁺ 의 수정된 발광을 구현합니다. 이온.

<그림>

NGF3의 UC 메커니즘을 보여주는 에너지 준위 다이어그램

Er³⁺ 의 509, 529, 542, 660 및 805nm에서 발광 방출을 기반으로 한 온도 감지 속성 단일 도핑(NGF1) 및 Er³⁺ 의 529, 542 및 660 nm에서의 발광 방출 -Tm³⁺ -공동 도핑된 NaGdF₄ 유리 세라믹(NGF3)은 각각 298~573K 범위의 온도로 그림 5에 나와 있습니다. 약 529 및 542 nm에서 두 개의 녹색 상향 변환 방출 대역은 ² H_11/2 →⁴ 나_15/2 그리고 ⁴ S_3/2 →⁴ 나_15/2 Er³⁺ 의 전환 , 각각. 509, 660 및 805 nm 방출은 ² 에 해당합니다. H_9/2 →⁴ 나_15/2 , ⁴ F_9/2 →⁴ 나_15/2 그리고 ⁴ 나_9/2 →⁴ 나_15/2 Er³⁺ 의 전환 , 각각. 온도가 증가함에 따라 방출 강도가 ⁴ 임을 알 수 있습니다. S_3/2 레벨이 현저히 감소합니다. ² H_11/2 레벨은 ⁴ 에서도 채워질 수 있습니다. S_3/2 고온에서 열 인구 및 인구 감소로 인한 열 여기에 의한 수준 [31]. "열 결합" ² 의 상대적 인구 H_11/2 그리고 ⁴ S_3/2 수준은 이미 확인된 볼츠만 유형 인구 분포를 따르며[32, 33], ² 의 변이로 이어집니다. H_11/2 →⁴ 나_15/2 그리고 ⁴ S_3/2 →⁴ 나_15/2 /³⁺ 고온에서.

<그림>

(a의 UC 방출 스펙트럼 ) NGF1 및 (b ) 다양한 온도에서 200–900 nm 파장 범위의 NGF3

열 담금질 비율(R _질문 )는 발광 소광에 대한 온도의 영향을 평가하는 핵심 매개변수입니다[16]. R _질문 온도 변화에 따른 방출 대역은 다음과 같이 정의됩니다.

$$ {R}_Q=1-\frac{I_T}{I_0} $$ (1)

여기, 나 _T 다른 온도에서 발광 강도 T , 그리고 나 ₀ 는 실온에서의 발광 강도이다. R의 값 _질문 NGF1 및 NGF3의 409, 529, 542, 660 및 805 nm 방출에 대해 66.8 및 322.4 mW/cm2로 그림 6에 나와 있습니다. 여기력. 그림 6a에서 온도가 증가함에 따라 R의 값은 _질문 529nm의 값은 542nm의 값보다 느리게 성장합니다. 즉, 529nm의 발광 강도가 529nm의 발광 강도보다 천천히 감소합니다. Fig. 6b에서는 온도의 증가에 따라 다른 경향을 보여주고 있다. R의 값 _질문 542 nm에서 방출 대역은 온도가 증가함에 따라 증가합니다. 반대로 R의 값은 _질문 529 nm 방출 대역의 일부 음수 값을 보여주고 먼저 감소한 다음 온도가 증가함에 따라 증가합니다. 즉, ² H_11/2 상태는 고온에서 열적으로 채워집니다[34]. 그림 6a에서 R의 값은 _질문 409 nm의 경우 방출은 온도가 빠르게 증가함에 따라 증가합니다. 660 nm에서 그림 6a, b와 비교할 때 Tm³⁺ 을 추가하면 이를 방지할 수 있습니다. 이온, R _질문 Er³⁺ 을 의미하는 비교적 큰 양수 값이 됩니다. -Tm³⁺ -공동 도핑된 NaGdF₄ 660 nm에서 온도에 따른 발광은 크게 변화했습니다. 800 nm 방출의 강도는 그림 6a에서 온도의 증가와 가진력의 감소에 의해 많이 향상될 수 있지만 Er³⁺ 에서는 나타나지 않습니다. -Tm³⁺ -공동 도핑된 NaGdF₄ .

<그림>

열 담금질 비율(R Q) (a) ) NGF1, (b ) 낮은 66.8mW/cm² 에서 NGF3 여기 전력 및 높은 322.4mW/cm² 여기력

Er³⁺ 의 녹색 방출과 적색 방출의 기원을 탐구하기 위해 고온에서의 이온, UC 방출 강도 사이의 관계 I 및 레이저 광 강도 P 는 다음과 같이 표현됩니다:

$$ I\propto {P}^n $$ (2)

나 는 방출 강도, P 는 사고 펌프 전력이고 n 는 상향 변환 과정에서 흡수된 펌프 광자의 수입니다[35]. 그림 7은 NGF3의 서로 다른 온도에서 녹색과 빨간색에 대한 상향 변환 강도 및 펌핑 전력의 로그-로그 플롯을 보여줍니다. 542 및 660 nm 방출에 대한 적합선의 기울기는 298 및 573 K의 두 온도 지점과 n의 모든 값에서 거의 변하지 않습니다. 2보다 작고 1보다 크며, 이는 524 및 660 nm 방출이 고온 또는 저온에 관계없이 2광자 상향 변환 프로세스에서 발생함을 나타냅니다.

<그림>

(a에 대한 강도 및 펌핑 전력의 로그-로그 플롯 ) 542nm, (b ) NGF3의 298 및 573K에서 660nm 방출

요약하면 두 개의 인접한 에너지 준위, 상위 ² H_11/2 레벨 및 하위 ⁴ S_3/2 , 는 온도 상승에 따라 상대적으로 변할 수 있으며 이는 볼츠만 분포 법칙에 적합하며 열 결합 수준으로 사용될 수 있다[36]. [16]과 [23]의 이론에 따르면 ² 의 인구 비율은 H_11/2 ⁴ 까지 S_3/2 열적으로 결합된 Er³⁺ 수준에서 다음과 같이 정의됩니다.

$$ R=\frac{I_{\mathrm{U}}}{I_{\mathrm{L}}}=A{\mathrm{e}}^{\frac{-\varDelta E}{K_{\mathrm {B}} T}} $$ (3)

여기서 A 는 실험 시스템 및 고유한 분광 매개변수에 따라 달라지는 피팅 상수입니다. △이 열 결합 레벨 간의 피팅 에너지 차이입니다. 케이 _나 볼츠만 상수입니다. 티 절대온도이다. I 사이의 발광 강도 비율 _U 그리고 나 _L 온도 상승에 따라 정기적으로 변경됩니다. 발광 강도 비율과 온도 사이의 함수 관계는 다른 온도에서 일부 데이터 포인트를 피팅하여 결정할 수 있습니다. ² 사이의 온도 의존적 형광 강도 비율 H_11/2 그리고 ⁴ S_3/2 /³⁺ NGF1 및 NGF3에서 298에서 573K의 샘플은 다른 여기 전력에서 그림 8에 나와 있습니다. 실험 데이터는 Eq. (삼). 피팅이 실험 데이터와 잘 일치함을 관찰할 수 있습니다. R의 곡선 값 NGF1 또는 NGF3 여부는 여기 전력에 따라 달라집니다. ² 의 결합된 수준의 형광 강도 비율을 의미합니다. H_11/2 그리고 ⁴ S_3/2 Er³⁺ 의 펌핑 전력에 민감 단일 도핑 및 Er³⁺ -Tm³⁺ -공동 도핑된 NaGdF₄ 유리 도자기. Fig. 8b와 Fig. 8a를 비교하면, 동일한 가진력 하에서, Curve Matching Formula가 같지 않음을 알 수 있으며, 이는 ² 의 모집단 비율을 시사한다. H_11/2 ⁴ 까지 S_3/2 Tm³⁺ 도핑 후 변경됨 이온.

<그림>

2H11/2/4S3/2의 여기 전력 종속 방출 강도 비율 유리 세라믹(a ) NGF1 및 (b ) NGF3

NGF1 및 NGF3의 온도 응답을 더 이해하려면 감지 감도를 조사하는 것이 중요합니다. 광학 온도 측정의 감도는 R의 변화율입니다. 온도 변화에 반응하여 [37, 38]. 상대 감도 S _R 그리고 절대 감도 S _A 다음과 같이 정의됩니다:

$$ {S}_R=\frac{dR}{dT}=R\frac{\varDelta E}{K_{\mathrm{B}}{T}^2} $$ (4) $$ {S}_A =\frac{1}{R}\frac{dR}{dT}=\frac{\varDelta E}{K_{\mathrm{B}}{T}^2} $$ (5)

여기서 △E 열 결합 수준 간의 에너지 차이, K _나 볼츠만 상수, T 는 절대 온도이고 R 는 열적으로 결합된 두 레벨 사이의 발광 비율입니다[39]. 그림 9는 S의 곡선을 나타냅니다. _R NGF1 및 NGF3 샘플의 다른 여기 전력에서 온도에 따라 달라집니다. 두 샘플은 낮은 여기에서 높은 감도를 보여줍니다. 최대 S _R Er³⁺ 값 -도핑된 NaGdF₄ 0.001K⁻¹ 로 추정됩니다. 334K에서 Er³⁺ -Tm³⁺ -공동 도핑된 NaGdF₄ 최대 S _R 0.00081K⁻¹ 인 값 292K에서. 또한 Tm³⁺ 으로 도핑한 후 감도 피크가 더 낮은 온도 범위로 이동한다는 점에 주목할 가치가 있습니다. 이온.

<그림>

여자 전력 의존 상대 감도 S (a의 R ) NGF1 및 (b ) NGF3

그림 9에서 NGF1과 NGF3에 대한 적합선의 기울기가 먼저 증가하고 온도 범위가 0에서 2000K로 증가함에 따라 서서히 감소하여 NGF1과 NGF3이 넓은 온도 범위를 모니터링할 수 있음을 보여줍니다. Tm³⁺ 을 추가하면 이온, 최대 감도 및 최대 감도 온도가 변경됩니다. 온도에서 최대 감도가 약 334K인 NGF1에 비해 NGF3은 약 292K인 NGF1보다 낮은 온도에서 최대 감도를 나타냅니다. Tm³⁺ 을 의미합니다. 이온은 감도 및 온도 측정 범위를 변경할 수 있습니다. 그리고 322.4 ~ 66.8 mW/cm2의 여기 전력에서 NGF1의 형광 강도 비율을 사용하여 334 ~ 405K의 온도를 측정하는 데 매우 민감합니다. . 이는 Er³⁺ -도핑된 NaGdF₄ 중간 온도 측정에 사용할 수 있습니다. 도 9b에서 알 수 있는 바와 같이 NGF3는 약 292K의 저온에서 높은 감도를 갖는다. 대부분의 상향변환 희토류 이온이 도핑된 광학 온도 물질은 중온 내지 고온에서 우수한 감도를 나타내는 것으로 잘 알려져 있다. [40,41,42]. 실온 주변의 광학 온도 측정에 대한 보고는 거의 없습니다. 따라서 NGF3는 약 20°C의 온도를 모니터링하는 데 적합합니다. S 값이 _R 기본적으로 NGF1에서는 여기력이 증가함에 따라 감소하지만, NGF3에서는 먼저 감소한 다음 여기력이 증가함에 따라 증가합니다. 가장 큰 S _R 여기 전력이 322.4mW/cm² 일 때 나타납니다. . 또한 최대 감도 부근의 온도는 가진력이 증가할수록 더 낮은 온도 범위에 가까움을 알 수 있다. 따라서 NGF1 및 NGF3에서 일반적인 규칙을 얻을 수 있으며, 여기 전력이 증가할수록 더 낮은 온도 환경에서 온도 측정에 더 민감합니다. NGF1은 최대 S를 가질 뿐만 아니라 _R NGF3보다 크지만 S 값도 가집니다. _R 이는 NGF3보다 여기력이 증가하는 일반적인 규칙에 해당합니다. 따라서 Er³⁺ -도핑된 NaGdF₄ Er³⁺ 보다 광학 온도 센서에 더 적합합니다. -Tm³⁺ -공동 도핑된 NaGdF₄ 온도 및 여기력에 의해 유도된 안정성을 고려하여. 식에 따르면 (4) 감도는 에너지 차이(△E ) 열적으로 결합된 수준 사이. 따라서 에너지 차이(△E ) NGF1 및 NGF3 유리 세라믹에서 다른 RE(희토류 이온) 도핑된 재료보다 크므로 NGF1 및 NGF3 유리 세라믹의 감도가 더 높아집니다. 다양한 희토류 이온에 대한 광학 온도 측정의 감도를 비교하기 위해 다양한 희토류 이온의 감도 보고서 중 일부를 표 1에 제시했습니다. Er³⁺ -도핑된 NaGdF₄ 유리 세라믹은 다른 희토류 이온 도핑 재료보다 우수합니다. 따라서 Er³⁺ -공동 도핑된 NaGdF₄ 유리 세라믹은 고성능 광학 온도 측정의 좋은 후보가 될 것입니다.

결론

요약하자면, Er³⁺ -도핑된 NaGdF₄ 및 Er³⁺ -Tm³⁺ -공동 도핑된 NaGdF₄ 유리 세라믹은 용융 담금질 및 후속 가열에 의해 제조되었습니다. XRD, TEM 및 발광 스펙트럼 측정을 통해 샘플을 조사했습니다. Under laser excitation of 980 nm, these glasses strongly emitted light in the visible region, ranging from green to red. A visible emission which can be tuned from the green to the red color by varying the Tm³⁺ ion concentration is achieved under the 980 nm excitation. Meanwhile, the emission intensities of the Er³⁺ -doped and Er³⁺ -Tm³⁺ -co-doped transparent NaGdF₄ glass ceramics were found to be temperature dependent. It was found that the spectrum structure, thermal quenching ratio, fluorescence intensity ratio, and sensitivity from thermally coupled levels were strongly dependent on the change of pump powers. Optical temperature sensing of the Er³⁺ -doped and Er³⁺ -Tm³⁺ -co-doped NaGdF₄ transparent glass ceramics in the temperature that ranges from 298 to 573 K is studied. The maximum value of relative sensitivity (S _R ) is 0.001 K⁻¹ at 334 K under 322.4 mW/mm² excitation. And it shifts toward the lower temperature range and has a maximum value of 0.00081 K⁻¹ at 292 K after doped with Tm³⁺ 이온. The results indicate that the Er³⁺ -doped and Er³⁺ -Tm³⁺ -co-doped NaGdF₄ transparent glass ceramics may be good candidates for the temperature sensor.

약어

△E:: Energy difference
ESA:: Excited-state absorption
ET:: Energy transfer
FIR:: Fluorescence intensity ratio
GSA:: Ground-state absorption
HRTEM:: High-resolution transmission electron microscope
Ln³⁺ :: Trivalent lanthanide ions
NGF1:: 0.6%Er³⁺ -doped NaGdF₄ glass ceramics
NGF2:: 0.6%Er³⁺ -0.05%Tm³⁺ co-doped NaGdF₄ glass ceramics
NGF3:: 0.6%Er³⁺ -0.1%Tm³⁺ co-doped NaGdF₄ glass ceramics
NGF4:: 0.6%Er³⁺ -0.15%Tm³⁺ co-doped NaGdF₄ glass ceramics
NGF5:: 0.6%Er³⁺ -0.2%Tm³⁺ co-doped NaGdF₄ glass ceramics
NR:: Nonradioactive relaxation
RE:: Rare earth ion
R_Q :: Thermal quenching ratio
S_A :: Absolute sensitivity
S_R :: Relative sensitivity
TEM:: Transmission electron microscope
UC:: Up-conversion
XRD:: X-ray diffraction

Artesunate의 나노입자 전달은 미토콘드리아 매개 세포 사멸을 활성화하여 항종양 효율성을 향상시킵니다. 작은 셀레늄 나노결정 및 나노막대의 손쉬운 합성 및 광학적 특성

나노물질