Los investigadores dirigidos por Hong Zhang en el Instituto Van 't Hoff de Ciencias Moleculares de la Universidad de Amsterdam han podido proporcionar información sobre la dinámica microscópica de la transferencia y conversión de energía en fósforos dopados. Usando nanoestructuras dedicadas y modelado por computadora, pudieron determinar cuantitativamente el mecanismo de interacción entre las impurezas de hidroxilo y los centros de luminiscencia dentro de los fósforos dopados con lantánidos. Sus hallazgos, que acaban de ser publicados por la revista Nature Luz:ciencia y aplicaciones , contribuirá al desarrollo de novelas, materiales de conversión ascendente de alta eficiencia.

Los fósforos son sustancias capaces de luminiscencia, emitir luz al exponerse a radiación electromagnética. Se pueden encontrar en aplicaciones tan diversas como tubos de rayos catódicos, Iluminación LED, y pinturas luminosas. Particularmente atractivo es su uso como materiales de conversión ascendente donde emiten un fotón al absorber varios fotones de menor energía. Este 'jack' de luz de frecuencias más bajas a más altas se puede utilizar, por ejemplo, para cambiar la luz del infrarrojo cercano (NIR) de un láser económico de milivatios de onda continua hacia más altas, frecuencias visibles e incluso en la región espectral ultravioleta (UV). Las aplicaciones potenciales de la conversión ascendente se encuentran en espectroscopía de superresolución, almacenamiento de datos de alta densidad, lucha contra la falsificación, e imágenes biológicas y terapia fotoinducida.

Las propiedades ópticas de los fósforos de conversión ascendente dependen en gran medida de la aparición de defectos e impurezas, que a menudo tienen un efecto adverso grave sobre la transferencia y conversión de energía. Desentrañar los mecanismos de interacción subyacentes, sin embargo, es todo un desafío, ya que es casi imposible cuantificar adecuadamente la aparición de defectos e impurezas. En su papel en Luz:ciencia y aplicaciones , Hong Zhang y sus colaboradores ahora muestran que este dilema se puede desenredar de manera efectiva mediante la aplicación de nanoestructuras.

La relevancia de las impurezas hidroxílicas

Los investigadores estudiaron partículas de tamaño nanométrico que consisten en fluoruros de itrio y sodio dopados con iones lantánidos. Estos son uno de los materiales de conversión ascendente de luminiscencia más efectivos, pero su desempeño adolece de la presencia de hidroxilo (OH ^- ) impurezas. Estos se incorporan fácilmente durante la síntesis de materiales y pueden reducir el rendimiento de conversión ascendente no lineal hasta tres órdenes de magnitud. Las impurezas de hidroxilo se encuentran tanto en la superficie como en el interior de la nanopartícula.

El papel del OH relevante para la superficie ^- sobre las propiedades de luminiscencia ya se ha documentado bien a través de enfoques como el revestimiento de la cáscara. Desentrañar el mecanismo de interacción del OH interno ^- impurezas, sin embargo, apenas se ha informado sobre todo porque cuantificar su contenido es muy engorroso. Hong Zhang y sus compañeros de trabajo ahora han podido separar con éxito los efectos de la superficie OH relevante ^- y el OH ^- dentro de la nanopartícula en la dinámica de conversión ascendente de fotones.

Utilizando espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), determinaron el contenido de OH- interno con un error relativo de menos del 15%. Sobre esta base, combinado con modelado teórico, fueron capaces de unir interacciones microscópicas ion-ion e ion-impureza con fenómenos macroscópicos de luminiscencia de conversión ascendente. Esto llevó, entre otros, a una explicación mecanicista del fenómeno observado en estudios relacionados que la intensidad de luminiscencia de conversión ascendente exhibe una ley de desintegración exponencial con el aumento de OH ^- contenido (ver figura anterior).

Síntesis eficaz de materiales de conversión ascendente

Dado que se sabía que la síntesis en un entorno estrictamente seco puede aumentar sustancialmente la eficiencia de la luminiscencia de conversión ascendente, Zhang y sus compañeros de trabajo se propusieron ajustar el OH interno ^- contenido de impurezas de las nanopartículas mediante secado selectivo de diferentes etapas de síntesis. Por lo tanto, pudieron ajustar la intensidad de la luminiscencia dentro de un rango en el que la intensidad máxima era 30 veces mayor que la eficiencia mínima. Más importante, mediante la introducción de un método de prueba FTIR, encontraron que la intensidad del pico de absorción a ~ 3400 cm ^-1 medido en un entorno de agua pesada se puede utilizar de forma fiable para caracterizar cuantitativamente el OH ^- impureza contenida en la nanopartícula.

Por lo tanto, con la capacidad de ajuste cuantitativo del OH- y NaYF internos ₄ nanoestructuras de núcleo / capa, Los investigadores han explorado la dinámica microscópica de la conversión ascendente de fotones bajo la acción del OH interno. ^- impurezas tanto desde una perspectiva experimental como teórica. La predicción a partir de simulaciones de modelos de que tanto la vida útil de la luminiscencia del sensibilizador Yb ³⁺ y la intensidad de emisión de conversión ascendente disminuye exponencialmente con el contenido de OH ^- está bien confirmado experimentalmente, y se determinan los parámetros de interacción relevantes.