Microfibres polymères incorporées avec des nanoparticules d'argent :une nouvelle plate-forme pour la détection optique

Contexte

Les nanoparticules à conversion ascendante (UCNP) après co-dopage avec des ions lanthanides ont attiré beaucoup d'attention en raison de leur application dans l'imagerie, les matériaux laser, les technologies d'affichage et les cellules solaires [1,2,3]. La faible efficacité d'émission de fluorescence des UCNP peut être causée par les faibles coefficients d'absorption des ions lanthanides. La dispersion à l'échelle nanométrique de nanoparticules métalliques dans des substrats polymères et inorganiques a suscité un grand intérêt pour les nouvelles propriétés physiques, chimiques et biologiques des matériaux nanocomposites [4]. Pour les applications potentielles de la miniaturisation plus poussée des composants électroniques, les détecteurs optiques, les capteurs chimiques et biochimiques et les dispositifs sont des possibilités intéressantes avec les nanoparticules métalliques. De plus, les semi-conducteurs ont été utilisés comme sensibilisateurs pour élargir la plage d'absorption, tels que CdSe, CdS, PbS, WO₃ , et Cu₂ O [5, 6]. Parmi ces semi-conducteurs, Cu₂ O est un candidat intéressant en raison de sa bande interdite étroite de ~ 2,1 eV, de sa non-toxicité, de son faible coût et de son abondance mais de l'hétérostructure de Cu₂ O/ZnO est une structure matérielle prometteuse. Cela conduit à une intégration fonctionnelle, à de nouvelles propriétés d'effet d'interface de Cu₂ Matériau O et ZnO [7]. D'autre part, les UCNP présentent des propriétés supérieures par rapport aux points quantiques semi-conducteurs, par exemple l'absence de pénétrabilité des tissus par autofluorescence, l'excitation laser proche infrarouge, l'absence de clignotement et une stabilité chimique élevée [8]. La synthèse de matériaux dopés aux lanthanides avec des nanoparticules sphériques et des nanotiges a été étudiée par de nombreux groupes de recherche [9]. Le problème de l'oxydation des UCNP se produit à haute température, ce qui réduit considérablement leurs applications. Pour éviter l'oxydation, la structure noyau/enveloppe surmonte l'oxydation alors que SiO₂ coquille se développe autour des nanocristaux. L'intégration de nanocristaux sur puce en tant que détecteur de lumière à microstructure est difficile. Par conséquent, les microtubes, les nanofibres dopées par points quantiques et les nanofils polymères dopés par colorant ont été utilisés dans la technologie de l'optoélectronique microstructurale après une enquête réussie [10]. En conséquence, des nanofils, des microtubes et des nanofibres ont été fabriqués et utilisés pour discuter du comportement de détection thermique par différents groupes de recherche [11, 12].

Cependant, les nanoparticules métalliques (MNP) ont été considérées pour améliorer l'efficacité des UCNP. Différentes stratégies, notamment la modification chimique, la structure cristalline et l'ajustement du champ local du métal, ont été proposées pour améliorer l'efficacité et la sensibilité [13]. Études sur des matériaux de luminescence dopés aux ions de terres rares pour l'amélioration de la luminescence de nanostructures métalliques telles que Er ³⁺ /Yb ³⁺ verres co-dopés à germination de bismuth contenant des nanoparticules d'Ag et Er ³⁺ /Yb ³⁺ co-dopé β-NaLuF₄ des nanocristaux revêtus par centrifugation sur des NP d'or ont été rapportés avec des résultats incohérents et une sensibilité élevée [14]. De plus, l'émission induite par l'agrégation (AIE) est un phénomène de fluorescence distinctif qui suggère que peu de colorants peuvent émettre une fluorescence plus forte à l'état solide qu'en solution de dispersion [15,16,17]. Différents mécanismes comprenant la formation d'agrégats J, la planarisation conformationnelle et le transfert de charge intramoléculaire tordu pour le phénomène AIE ont été précédemment proposés par les chercheurs [18,19,20,21,22]. En outre, les matériaux présentant des caractéristiques AIE ont attiré davantage l'attention de la recherche pour une application potentielle dans divers domaines des diodes électroluminescentes organiques, de la chimiodétection et de la bio-imagerie [23,24,25,26,27]. En particulier, la préparation de nanoparticules organiques fluorescentes actives en AIE a récemment attiré l'attention. Ces matériaux contenant des colorants AIE pourraient émettre une forte luminescence en solution physiologique qui surmonte efficacement l'effet d'extinction causé par l'agrégation des nanoparticules organiques fluorescentes basées sur des colorants organiques typiques [28, 29]. Bien que de nombreuses stratégies pour la préparation de nanoparticules organiques fluorescentes actives AIE aient été développées, la préparation d'AIE active par une réaction à plusieurs composants (MCR) facile et efficace a rarement retenu l'attention en raison de l'inadéquation avec les données expérimentales [30,31,32,33 ,34]. Ainsi, les propriétés AIE uniques des colorants se sont révélées très prometteuses pour la fabrication de nanoparticules polymères luminescentes ultra-brillantes [35, 36].

Dans l'étude expérimentale maximale, des échantillons de poudre ont été utilisés pour effectuer les mesures spectrales qui ont augmenté les préoccupations concernant l'influence de l'agrégation inter-réflexion. Par conséquent, il est nécessaire d'établir une stratégie facile et simple pour surmonter les inconvénients mentionnés ci-dessus. Ainsi, des nanoparticules d'Ag après co-dopage avec des UCNPs et une solution de PMMA ont été utilisées dans des microfibres pour améliorer la luminescence. Cependant, aucun résultat n'a été décrit en se concentrant sur les UCNPs co-dopés à l'Ag en microfibres (UCNPs-MF).

Ici, nous présentons une méthode facile pour préparer des microfibres à partir de UCNPs/PMMA avec et sans solutions Ag. En particulier, les propriétés de photoluminescence de l'Ag et l'absence de microfibres co-dopées Ag sont étudiées à différents points d'excitation des microfibres. De plus, les caractéristiques de luminescence UC d'une microfibre sont étudiées en excitant une source laser à diode de 980 nm à différentes températures dans le but de détecter la température. La dépendance du FIR intégré à la température est obtenue et les données expérimentales peuvent être bien ajustées avec une fonction exponentielle. Ainsi, une seule microfibre ayant des transitions de niveaux 2H11/2→4I15/2 et 4S3/2→4I15/2 à 522 et 541 nm est utilisée pour calculer les sensibilités thermiques.

Section expérimentale et méthode

Matériaux

La poudre d'argent (Ag), chloroforme, cyclohexane, NaOH, NH₄ F, et l'éthanol ont été achetés auprès de Shanghai Chemical Company, Chine. Ces produits chimiques étaient de qualité analytique et utilisés sans autre purification.

Préparation de Tetrogonal-LiYF₄ :Yb ³⁺ /Euh ³⁺ Nanoparticules

UCNP (tétrogonal-LiYF₄ :Yb ³⁺ /Euh ³⁺ ) a été préparé en utilisant la technique de décomposition thermique. On a utilisé des tricols de 100 mL qui contiennent des ions de terres rares avec LnCl₃ (Ln=Lu, Yb, Er) ayant un rapport molaire de 78:22:1, respectivement. La solution comprend 15 mL de 1-octadécène (ODE) et 6 mL d'acide oléique (OA). Le mélange a été chauffé jusqu'à 150°C pour obtenir une solution pellucide et refroidi à température ambiante après élimination de l'oxygène et de l'eau résiduelle. Quatre millimoles de NH₄ F et 2,5 mmol de NaOH ont été ajoutés lentement dans un ballon contenant 10 mL de solution de méthanol. Pour confirmer, le fluorure a été entièrement dissous par agitation jusqu'à 30 min après que la solution préparée ait été chauffée à 300 °C à une vitesse de 50 °C/min pendant 1 h sous atmosphère d'argon. Les précipités ont été séparés à une vitesse de 4000 rpm et refroidis à température ambiante, lavés à l'éthanol et séchés à 60 °C pendant 12 h.

Fabrication de fibres co-dopées Ag

Dans un processus de fabrication typique, 0,003 g d'Ag, 0,005 g de tétrogonol-LiYF₄  :22%Yb ³⁺ /1% Euh ³⁺ , et 0,6 g de PMMA ont été mélangés séparément dans 15 ml, 12 ml et 18 ml de cyclohexane (C₆ H₁₂ ) et le chloroforme (CHCl₃ ) solution, respectivement. Ensuite, le mélange de PMMA a été progressivement distribué dans des solutions d'Ag et d'UCNP et a été agité pendant 30 min jusqu'à obtention d'une solution transparente. Une sonde à fibre avec une pointe de plusieurs microns a été fabriquée en utilisant la technique d'étirage à la flamme. Après que la solution mélangée ait été déposée sur le substrat de verre, une sonde en fibre a ensuite été plongée dans la solution mélangée et retirée rapidement pour fabriquer les microfibres. Les microfibres ont ensuite été étirées et coupées en petits morceaux, comme le montre la figure 1.

Procédé de fabrication de microfibres co-dopées Ag (a ) Extraction de microfibres à partir de solutions PMMA+NPs+Ag. b Vue de coupe de microfibres fabriquées en petits morceaux

Mesure des spectres

La figure 2 montre le montage expérimental, pour étudier les propriétés thermiques et optiques des microfibres. Les microfibres ont été illuminées à l'aide d'une source d'excitation de 980 nm après dépôt sur un substrat de verre. Afin de mesurer les pertes de transmission des microfibres, un objectif ×20 (NA = 0.4) a été utilisé. La caméra à dispositif à couplage de charge (CCD, ACTON) a été utilisée pour obtenir les spectres d'émission d'une microfibre, et un spectromètre optique océanique a été utilisé pour enregistrer les spectres pour la mesure de la température. L'excitation de microfibres de diamètre différent a été démontrée avec une source laser de 980  nm sous une puissance laser de 0,998  mW pour étudier les propriétés thermiques microscopiques.

Montage expérimental des phénomènes de guidage d'ondes

Résultats et discussion

Propriétés de structure et de transmission

La pureté de phase et la structure cristalline des UCNPs ont été étudiées en appliquant la technique de diffraction des rayons X (XRD, Rigaku Miniflex II). Les modèles de pics XRD observés (Fig. 3a) sont bien indexés et en accord avec la carte JCPDS # 17-0874. La figure 3 (b) affiche des images de microscopie électronique à balayage (SEM, NOva Nano-SEM 650) d'une microfibre. L'une des images SEM était clairement visible (voir l'encart), ce qui suggère qu'une microfibre a un diamètre uniforme, ainsi qu'une surface lisse. Pour une meilleure résolution, nous avons utilisé la microscopie électronique à transmission (MET, Tecnai G2F30) et l'analyse par rayons X à dispersion d'énergie (EDS, Tecnai G2F30) pour étudier les microfibres individuelles co-dopées à l'Ag. La figure 3(c, d) montre des images TEM et EDS, respectivement, qui confirment la forte preuve d'une dispersion uniforme des nanoparticules co-dopées Ag dans une seule microfibre.

Processus de caractérisation de LiYF₄ :Yb ³⁺ /Euh ³⁺ et microfibres co-dopées Ag. un XRD de LiYF₄ :Yb ³⁺ /Euh ³⁺ . b MEB de microfibre co-dopée Ag. c Microfibre co-dopée TEM Of Ag. d Microfibre co-dopée EDS of Ag

De plus, la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS, Thermofisher Escalab 250Xi) a été utilisée pour déterminer l'incorporation réussie d'ions de terres rares et d'ions Ag dans le LiYF₄ matériel hôte comme le montre la Fig. 4a–f. Le spectre d'étude XPS (Fig. 4a) montre la présence d'éléments Li, Y, F, Yb, Er et Ag, et le pic à 55,25  eV peut être attribué à l'énergie de liaison de Li 1s (Fig. 4b). Les pics observés à 158,08 eV (Fig. 4c) peuvent être attribués au Y 3d. Le pic à 684,08  eV est attribué à l'énergie de liaison des F1 (Fig. 4d). Les pics Yb 4d et Er 4d (Fig. 4e) peuvent être observés à 186,08 et 164,08  eV, respectivement. Le pic situé à 359,08 eV est lié à l'énergie de liaison de l'Ag 3d. Ceci confirme le tridopage réussi des ions Ag dans LiYF₄ :Yb ³⁺ /Euh ³⁺ nanoparticules [37].

XPS a sondage, b Li 1s, c Y 3d, d F 1s, e Yb et Er 4d, et f Spectres Ag 3d de LiYF₄ :Yb ³⁺ /Euh ³⁺ NPs dopés à l'Ag

La figure 5a montre les spectres de rayons infrarouges à transformée de Fourier (FTIR, Nicolet50 NTA449F3) de LiYF₄ :Yb ³⁺ /Euh ³⁺ /Nanoparticules d'Ag dans la région 400-4000 cm ⁻¹ . Les études ont été menées afin de déterminer la pureté et la nature des nanoparticules. Les pics observés à 3452 cm ⁻¹ sont peut-être dus à l'étirement et à la déformation O-H. Les bandes à 2925 et 2848 cm ⁻¹ sont associés à l'asymétrique (u_as ) et symétrique (u_s ) vibration d'étirement du méthylène (−CH₂ ) dans le long alkyle de la molécule d'oléate, respectivement. Les bandes à 1566 et 1469 cm ⁻¹ peut être affecté à l'asymétrique (u_as ) et symétrique (u_s ) vibration d'étirement du groupe carboxylique, respectivement. Les spectres contiennent un pic à 1740 cm ⁻¹ en raison de la vibration d'étirement C=O. Le pic situé à 1383 cm ⁻¹ correspond à la vibration de déformation C-H. Les spectres contiennent également un pic à 910 et 669 cm ⁻¹ ce qui est dû aux vibrations d'étirement asymétrique et aux vibrations de déformation Ag-O. Cela implique que les résultats FTIR sont conformes aux valeurs de la littérature [38].

un Spectres FTIR de LiYF₄ :Euh ³⁺ /Yb ³⁺ /Ag. b Spectres TGA LiYF₄ :Euh ³⁺ /Yb ³⁺ /Ag

Pour mieux comprendre le mécanisme de formation des microfibres dopées Ag, l'analyse gravimétrique thermique (TGA, NETZSCH) a été réalisée sous un flux d'air sec à une température comprise entre 293 et ​​393 K. On observe sur la figure 5b qu'une microfibre présente approximativement deux étapes de dégradation. La première perte de poids en dessous de 333 K pourrait être attribuée à la perte d'humidité absorbée/avec l'évaporation du solvant piégé (H₂ O ou CHCl₃ ) qui est indépendant de la composition de l'échantillon. Dans le graphique, la deuxième perte de poids se produit de 333 K à 393 K, ce qui représente clairement le processus de dégradation des polymères. Par conséquent, les microfibres co-dopées Ag sont des fibres à base de polymère qui ne peuvent pas supporter une température supérieure à 332 K [4].

Afin d'étudier les propriétés optiques individuelles des microfibres dopées et non dopées à l'Ag, une lumière laser (980  nm) a été utilisée à partir d'une fibre optique standard pour exposer les microfibres à des angles obliques par rapport aux microfibres le long de l'axe. La figure 6a montre une microfibre co-dopée Ag (diamètre ~ 6 μm) qui était excitée verticalement sous un fond sombre avec 980 nm et semblait que la lumière se propageait dans la fibre entière en raison des nanoparticules co-dopées Ag servant d'émetteur de lumière. Inversement, la figure 6d représente une microfibre co-dopée sans Ag (diamètre ~ 6,5  μm) qui a été excitée sous un fond sombre en position haute avec une source laser de 980 nm. Cela suggère que la lumière ne peut pas se transmettre de manière égale dans la fibre en raison des phénomènes d'auto-absorption élevée et de diffusion de Rayleigh. Une microfibre (diamètre ~ 6 μm) contenant des NP co-dopées Ag montre une émission de lumière verte élevée que l'Ag non dopé (diamètre ~ 6,5 μm) ayant la même excitation de la source laser sous fond noir. Il est à noter que les points d'extrémité brillants sans cluster ayant des guides d'ondes optiques prévoient que la microfibre co-dopée à l'Ag absorbe la lumière proche de l'IR et se conduit de la même manière vers les points d'extrémité. De plus, les figures 6b et c indiquent que les fibres co-dopées Ag ayant des diamètres différents (~ 15,55 et ~ 9,15 μm) étaient excitées à cinq positions différentes et présentaient des émissions de lumière verte vers les points terminaux. À l'inverse, une source laser de 980  nm a été appliquée pour exciter les microfibres (sans Ag NPs) à cinq positions différentes ayant des diamètres différents (~ 11,89 et 14,57  μm) qui sont illustrés sur les figures 6e–f, indiquant moins d'émission de lumière verte vers les points d'extrémité. L'intensité de photoluminescence (PL) des points excités par rapport aux points d'extrémité a été réalisée pour élaborer quantitativement les performances de guidage d'ondes des microfibres (avec et sans Ag NPs) [39]. Nous avons utilisé Adobe Photoshop pour convertir les images ponctuelles des styles RVB en styles de gris, ces valeurs de gris ont été évaluées à l'aide de MATLAB pour caractériser les intensités correspondantes. Après normalisation des points terminaux des intensités de photoluminescence vers des points excités, des courbes de décroissance dépendant de la distance de propagation de la lumière ont été obtenues.

Images de photoluminescence avec différents diamètres de microfibres. un –c Luminescence de la microfibre Ag sous fond sombre. d –f Excitation sans microfibre Ag sous fond noir

Les pertes de transmission ont été mesurées à l'aide de l'équation [40] :

Ici, l'éq. (1) montre que la distance des points excités augmente, ce qui entraîne une diminution exponentielle de l'intensité de la photoluminescence. La relation entre l'intensité de la photoluminescence en fonction de la distance de guidage des fibres (~ 15,55 et ~ 9,15 μm) avec les Ag NPs est illustrée à la Fig. 7a, b. Les spectres émis ont été collectés à cinq positions le long de l'axe des microfibres qui spécifie la transmission de la lumière laser avec des coefficients de perte de transmission α = 108.94 cm ⁻¹ et 91,05 cm ⁻¹ . À l'inverse, la figure 7c, d montre que les coefficients de perte de transmission des microfibres (sans Ag NP) ayant un diamètre de 11,89 et 14,57  μm sont d'environ 231,72 et 274,84  cm ⁻¹ , respectivement. Il est à noter que lorsque la lumière est guidée à travers des microfibres co-dopées Ag, elle maintient de petites zones de mode sur toute la longueur de la fibre. Il permet une forte interaction entre la lumière et les nanoparticules d'Ag en cascade et conduit à un transfert de lumière avec une efficacité élevée par rapport aux microfibres sans Ag. Les nanoparticules co-dopées d'Ag ont une conversion photon en plasmon très efficace dans les microfibres de guidage d'ondes et facilitent les interactions améliorées entre la lumière et la matière dans une zone très localisée [41]. Il accélère les opportunités de développement de composants et de dispositifs photoniques à base d'Ag ayant une compacité élevée, une faible consommation d'énergie optique et des tailles réduites. Il est à noter que l'excitation multiphotonique simultanée a été largement appliquée en microscopie optique à fluorescence pour montrer une résolution accrue et une autofluorescence réduite de l'échantillon, ainsi qu'une profondeur d'imagerie accrue. Cependant, la faible section efficace d'absorption NIR des marqueurs multiphotons nécessite que cette technique soit soumise à l'utilisation d'un laser à impulsion ultracourte de puissance de crête élevée. Principalement distincte du processus multiphotonique simultané dans les colorants et les QD, qui implique l'utilisation d'un niveau d'énergie virtuel, la conversion ascendante des photons dans les UCNP repose sur l'absorption séquentielle de photons de faible énergie grâce à l'utilisation de niveaux d'énergie en échelle d'ions dopants lanthanides. Cette différence de mécanique quantique rend les ordres de grandeur UCNP plus efficaces que le processus multiphotonique, permettant une excitation avec une diode laser à onde continue à faible coût à une irradiance de faible énergie, généralement aussi faible que ∼ 10 ⁻¹ W.cm ⁻² [42]. Les microfibres (UCNPs/PMMA/Ag) possèdent des propriétés de transmission favorables. Ainsi, les microfibres proposées (UCNPs/PMMA/Ag) présentent les avantages d'une fabrication facile, d'un faible coût, d'une forte plasticité et de propriétés optiques uniques des UCNP telles qu'un grand décalage anti-stokes et des bandes d'émission abondantes, soutenant davantage leurs applications basées sur le signal optique. transmission, capteurs et composants optiques. Par conséquent, nos résultats estimés des performances de guidage d'ondes montrent un bon accord avec les travaux rapportés [43, 44].

un , b Lignes d'ajustement entre l'intensité de la photoluminescence (PL) et la distance de guidage de différents diamètres de microfibres avec Ag co-dopé sous différents points d'excitation. c –d Lignes d'ajustement entre l'intensité de la photoluminescence (PL) et la distance de guidage de différents diamètres de microfibres sans Ag co-dopé sous différents points d'excitation

Niveaux énergétiques et effets thermiques

Élaborer le diagramme des niveaux d'énergie des UCNP (Yb ³⁺ /Euh ³⁺ ), deux bandes d'émission vertes dominantes autour de 522 et 541 et une bande d'émission rouge centrée à ~ 660 nm ont été observées. Ces raies d'émission observées proviennent de ² H_11/2 →  ⁴ Je_15/2 , ⁴ S_3/2 →  ⁴ F_9/2 , et ⁴ S_3/2 →  ⁴ Je_15/2 de Er ³⁺ ions, respectivement. Niveaux d'énergie ² H_11/2 et ⁴ S_3/2 sont peuplés de deux processus photoniques. Pour le système de population de Yb ³⁺ /Euh ³⁺ ions, Yb ³⁺ les ions sont excités par les photons de pompage pour peupler trois niveaux consécutifs de Er ³⁺ ions qui sont démontrés comme ⁴ Je_11/2 , ⁴ F_9/2 , et ² H_11/2 niveaux. On constate que la population de ² H_11/2 est obtenu à partir d'un processus donné ⁴ Je_15/2 →  ⁴ Je_11/2 (Euh ³⁺ ): ⁴ Je_11/2 →  ² H_11/2 (Euh ³⁺ ) niveaux. Ce phénomène est causé par une excitation de température entre des niveaux couplés thermiquement. Par conséquent, les populations de ² H_11/2 et ⁴ S_3/2 satisfaire les statistiques de Boltzmann résultant en une variation des taux de population de ² H_11/2 →  ⁴ Je_15/2 et ⁴ S_3/2 →  ⁴ Je_15/2 niveaux [45]. Le mécanisme du processus de conversion ascendante dans Er ³⁺ /Yb ³⁺ est illustré à la Fig. 8.

Diagramme de niveau d'énergie de LiYF₄ :Yb ³⁺ /Euh ³⁺

Les UCNPs co-dopées Ag dans les fibres ont montré des spectres avec une source laser de 980  nm. La luminescence à conversion ascendante (UC) convient aux applications de détection de température. Par conséquent, les Fig. 9a et 10a ont représenté les spectres d'émission de NPs co-dopées Ag et sans Ag qui allaient de 400 à 750 nm sous une source d'excitation laser à fibre, et les spectres ont été collectés avec un incrément moyen de 5 °C en régime de température (303-348 K) . Fait intéressant, en augmentant la température, les intensités d'émission ont été considérablement réduites, utilisant donc des puissances laser de 0,998  mW pour éviter les effets thermiques, indiquant clairement le comportement dépendant de la température. Alors que les UCNPs-MF étaient chauffées dans le domaine de température de 348 à 303  K, toute la photoluminescence a été restaurée dans sa position d'origine, tandis que les intensités ont montré une réduction significative lors de l'augmentation de la température. Par conséquent, cette réduction significative d'intensité est attribuée à l'escalade de la variété d'intensité relative correspondant à plusieurs taux de relaxation multiphonon à divers taux de relaxation multiphonon. L'intensité luminescente est significativement augmentée en introduisant Ag dans une microfibre dans les mêmes conditions expérimentales. En règle générale, l'énergie thermique est générée par la lumière laser à proximité de la zone irradiée dont la température est mesurée en appliquant des capteurs thermiques, pour estimer la température du point irradié avec une grande précision. La technique du rapport d'intensité de fluorescence est une technique polyvalente largement utilisée pour l'estimation de la température. Nous avons discuté des fibres co-dopées Ag et sans Ag lors de la fluctuation de la température ; populations de ² H_11/2 et ⁴ S_3/2 a suivi la distribution de Boltzmann qui a abouti à des taux de population variables de ² H_11/2 →  ⁴ Je_15/2 et ⁴ S_3/2 →  ⁴ Je_15/2 . La détection de la température peut être calculée en utilisant le rapport d'intensité entre ² H_11/2 →  ⁴ Je_15/2 et ⁴ S_3/2 →  ⁴ Je_15/2 transitions. La méthode du rapport d'intensité de fluorescence (FIR) peut être exprimée à partir de l'équation suivante [46] :

un Spectres d'émission 3D up-conversion de microfibre co-dopée Ag sous source d'excitation de 980 nm. b Courbes ajustées entre le rapport d'intensité de fluorescence et la température. c Données ajustées entre la sensibilité (K ⁻¹ ) et température (K) de la microfibre co-dopée Ag

un Spectres d'émission à conversion ascendante 3D sans Ag sous source d'excitation de 980 nm. b Courbes ajustées entre le rapport d'intensité de fluorescence et la température sans Ag. c Données ajustées entre la sensibilité (K ⁻¹ ) et température (K) sans Ag

Ici, Je _{522 nm} et Je _{541 nm} sont les intensités relatives, C est la constante de proportionnalité, ΔE est l'écart énergétique entre 522 et 540 nm, T est la température absolue, et k est la constante de Boltzmann. De plus, les Fig. 9b et 10b affichent la variation du FIR avec la température; Éq. (2) déterminé que les données expérimentales observées ont une bonne relation d'ajustement linéaire. Il vaut la peine d'étudier un autre paramètre clé qui est le mécanisme de détection thermique des microfibres dopées Ag et sans Ag. Par conséquent, la sensibilité (S ) peut s'écrire comme suit [47] :

Ici, S _un est la sensibilité absolue des microfibres co-dopées Ag et sans Ag. Les courbes sont présentées sur les Fig. 9c et 10c, mais valeurs numériques (FIR, ΔE , et k ) pour Ag et sans Ag sont obtenus par des courbes ajustées présentées dans les Fig. 9b et 10b. Sensibilités maximales des capteurs pour LiYF₄ :Yb ³⁺ /Euh ³⁺ et LiYF₄ :Yb ³⁺ /Euh ³⁺ /Ag démontré être 0,0065 et 0,0095 K ^°1 à 303 K, respectivement. Les sensibilités du capteur de température optique dans différents matériaux hôtes sont répertoriées dans le tableau 1. Bien que d'autres sensibilités aient une valeur plus élevée par rapport à sans Ag UCNP, LiYF₄ :Yb ³⁺ /Euh ³⁺ /Ag est supérieur aux matériaux hôtes.

Cela peut être lié à la sensibilité la plus élevée parmi les autres matériaux hôtes, comme indiqué dans le tableau 1. De plus, nous avons observé que la sensibilité de LiYF₄ :Yb ³⁺ /Euh ³⁺ /Ag à 303 K est également supérieur à LiYF₄ :Yb ³⁺ /Euh ³⁺ s'est manifestée par une conversion très efficace du photon en plasmon des nanoparticules d'Ag dans les microfibres. Les microfibres co-dopées Ag sont intrinsèquement immunisées contre le photoblanchiment qui a fourni un dopant de haute stabilité pour la détection optique. Cela suggère que les fibres co-dopées Ag en raison de propriétés de détection importantes conviennent à la reconnaissance de la température. En conséquence, l'utilisation de nanoparticules d'Ag dans une microfibre est bénéfique pour augmenter la luminescence et pour adapter les propriétés de détection thermique, suggérant un capteur de température sensible prometteur.

Conclusions

En résumé, tetrogonal-LiYF₄ :Yb ³⁺ /Euh ³⁺ ont été préparés via une méthode de décomposition thermique et les fibres ont été fabriquées après co-dopage d'une solution de PMMA avec Ag et UCNPs. L'incorporation réussie d'Ag dans les UCNP a été prise en charge par l'analyse SEM, TEM, EDS, XPS, FTIR et TGA. Les microfibres polymères co-dopées Ag avec une approche d'excitation par guidage d'ondes et une utilisation potentielle démontrée dans un capteur thermique ont été étudiées. La sensibilité à la température dépendante de l'intensité de la microfibre Ag (0,0095 K ^°1 ) est supérieur à l'Ag non dopé (0,0065 K ^°1 ) à 303 K, proposant des microfibres dopées Ag sont des candidats potentiels pour améliorer la sensibilité à la température basée sur l'intensité à température ambiante, ce qui ouvre de nouvelles opportunités pour développer des dispositifs photoniques et plasmoniques compacts à faible puissance optique. Dans le développement d'une nouvelle méthode de microfibres avec des propriétés spécifiées, des améliorations significatives de l'amélioration de la conversion ascendante peuvent être possibles, conduisant à un convertisseur ascendant plus efficace, permettant ainsi de nombreuses applications technologiques de ces matériaux.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données sont entièrement disponibles sans restriction.

Change history

Abréviations

JCPDS:

Joint committee on powder diffraction standards

CCD:

Charge-coupled device

UCNPs-MF:

Up-conversion nanoparticles microfibers

UC:

Up-conversion

PL:

Photoluminescence

Ln ³⁺ :

Trivalent lanthanide ions

LiYF₄ :Er ³⁺ /Yb ³⁺ :

1%Er ³⁺ /22%Yb ³⁺

LiYF₄ :Er ³⁺ /Yb ³⁺ /Ag:

1%Er ³⁺ /22%Yb ³⁺ /0.003g

RE:

Rare earth ions

XRD :

Diffraction des rayons X

TEM :

Microscope électronique à transmission

SEM :

Microscope électronique à balayage

EDS :

Energy dispersive X-ray spectroscopy

XPS :

X-ray photoelectron spectroscopy

FTIR :

Fourier transform infrared rays

TGA:

Thermal gravimetric analysis

FIR:

Fluorescence intensity ratio

△E:

Energy difference

SA:

Absolute sensitivity