은 내장 폴리머 마이크로파이버를 이용한 업컨버전 광학 센싱 성능 향상

요약

업컨버전 나노입자(UCNPs)에 은(Ag)을 공동 도핑한 폴리머 마이크로파이버 제조법을 보고한다. LiYF₄:Yb³⁺/Er³⁺/Ag 마이크로파이버는 전달 손실 α=108.94 cm⁻¹, 303 K에서 온도 감도 0.0095 K⁻¹을 보여 Ag-free 대비(0.0065 K⁻¹) 우수하다. 성능 향상은 Ag 나노함유물의 효율적인 광자-플라즈몬 변환으로 업컨버전 발광 증폭과 파이브 가이딩 개선에 기인한다. 이 플랫폼은 저비용, 확장 가능한 고성능 광학 온도 센서 및 포토닉 소자 구현 길을 연다.

배경

란타나이드 이온 도핑 UCNPs는 큰 안티-스토크스 시프트, 화학적 안정성, 광표백 저항성으로 바이오이미징, 레이저, 디스플레이, 광전지에 활용된다. 그러나 란타나이드 이온의 약한 흡수 단면적이 형광 수율을 제한한다. 금속 나노구조, 특히 은을 UCNPs나 폴리머 매트릭스에 내장하면 국소 전자기장을 증폭해 업컨버전 효율을 높일 수 있다. Ag 도핑 UCNPs는 벌크나 박막 형태로 연구되었으나, 온칩 포토닉스의 핵심 구성요소인 마이크로파이버로의 통합은 미개척 영역이었다.

실험 및 방법

재료

분석급 은 분말, 클로로포름, 사이클로헥세인, NaOH, NH₄F, 에탄올을 상하이 화학사에서 구입해 정제 없이 사용.

LiYF₄:Yb³⁺/Er³⁺ 나노입자 제조

열분해법으로 UCNPs 합성. 100 mL 삼구 플라스크에 LnCl₃ 염(Lu:Yb:Er=78:22:1)을 15 mL 1-옥타데센과 6 mL 올레산에 녹여 150 °C에서 맑아질 때까지 가열. 탈기 후 4 mmol NH₄F와 2.5 mmol NaOH를 10 mL 메탄올에 녹여 30분 교반, 혼합물을 300 °C(50 °C/min)로 Ar 분위기에서 1시간 가열. 나노입자 원심분리(4000 rpm), 에탄올 세척, 60 °C에서 12시간 건조.

Ag 공동 도핑 파이버 제조

0.003 g Ag, 0.005 g UCNPs, 0.6 g PMMA를 각각 15 mL, 12 mL, 18 mL 사이클로헥세인 또는 클로로포름에 분산. PMMA 용액을 Ag와 UCNP 용액에 서서히 가해 30분 교반해 투명해질 때까지 혼합. 화염 가열 인발법으로 마이크로파이버 인발 후 절단(그림 1).

스펙트라 측정

그림 2는 실험 장치. 마이크로파이버를 980 nm CW 레이저(0.998 mW)로 여기, 유리 기판 위에 배치. ×20 대물렌즈(NA=0.4)로 투과광 수집, CCD 카메라로 발광 스펙트럼 기록. 온도 의존 측정은 Ocean Optics 분광기로 수행.

결과 및 토의

구조 및 전달 특성

XRD 패턴은 순수한 사방정계 LiYF₄ 상(JCPDS #17-0874) 확인. SEM 이미지(그림 3b)에서 매끄럽고 균일한 직경(~6 µm) 파이버 관찰. TEM과 EDS(그림 3c-d)로 폴리머 매트릭스 내 Ag 균일 분산 확인. XPS 스펙트럼(그림 4)은 Li, Y, F, Yb, Er, Ag 존재 확인, Ag 3d 결합에너지 359.08 eV로 성공적 삼중 도핑 입증.

FTIR(그림 5a)은 특성 C-H, C=O, Ag-O 진동 보이며 폴리머와 Ag 혼입 확인. TGA(그림 5b)는 두 단계 분해: 333 K 이하 수분 손실, 333–393 K 사이 폴리머 분해로 ~332 K까지 열안정성 입증.

형광 이미징(그림 6)에서 Ag 공동 도핑 파이버는 녹색 발광을 전체 길이에 걸쳐 효율적으로 전달하나, Ag-free 파이버는 강한 자기흡수와 레일리 산란 나타남. 강도-가이드 거리 정량 분석(그림 7) 결과 손실 계수: Ag 도핑 108.94 cm⁻¹, Ag-free 231.72–274.84 cm⁻¹. Ag 도핑 파이버의 손실 감소는 광자-플라즈몬 결합 강화와 모드 구속 향상 덕분.

에너지 준위 및 열적 효과

업컨버전 스펙트럼에서 녹색 밴드 522 nm(²H₁₁/₂→⁴I₁₅/₂), 541 nm(⁴S₃/₂→⁴I₁₅/₂), 적색 밴드 ~660 nm(⁴F₉/₂→⁴I₁₅/₂) 관측. 이 발광은 Yb³⁺ 펌프 이온과 Er³⁺ 활성화 이온 간 순차적 에너지 전달에서 기인.

온도 의존 측정(그림 9)에서 두 녹색 밴드 간 형광 강도 비율(FIR)은 지수 관계(식 2)를 따르며, 자연로그 대 1/T 선형 피팅. 절대 감도(식 3)는 Ag 공동 도핑 파이버에서 303 K 시 0.0095 K⁻¹로 Ag-free(0.0065 K⁻¹) 초과. Ag 나노입자가 UCNP 마이크로파이버의 온도계 성능을 크게 향상시킴을 확인.

결론

LiYF₄:Yb³⁺/Er³⁺ UCNPs가 로드된 은 내장 폴리머 마이크로파이버를 제조하는 확장 가능하고 저비용적인 방법을 시연했다. 종합적인 구조, 광학, 열 분석으로 Ag 나노함유물이 파이브 가이딩 향상, 전달 손실 감소, 업컨버전 강도 증가를 가져와 상온에서 온도 감도 45% 개선을 달성함을 확인. 이 연구는 플라즈몬 강화 업컨버전을 활용한 소형 고성능 광학 센서 및 포토닉 소자 구현의 길을 열었다.

데이터 및 재료 가용성

모든 데이터는 제한 없이 완전히 이용 가능.