- елементи
- абстрактно
- Въведение
- Резултати и дискусия
- Фазова чистота, структура и морфология
- MUL свойства на Er 3+/Yb 3+, съвместно легирани NaNbO 3 нанокристали
- заключения
- методи
- Синтез на материали
- Методи за характеризиране
- Допълнителна информация
- Word документи
- Допълнителна информация
- Коментари
елементи
- Наука за материалите
- Материали за наномащаби
абстрактно
В тази работа тук показваме, че луминесценцията на NaNb03: Er 3+/Yb 3+ наноматериали може да бъде модулирана от магнитно поле и увеличаване на интензивността на преобразуване с фактор около 2 за Er3. +: 4 S 3/2 → 4 I 15/2, получени при 30 ° C и около 5, 4 за Er 3+: 4 F 9/2 → 4 I 15/2, получени при 20 T. Повишената луминесценция нагоре се интерпретира особено по отношение на подобрения безрадиационен трансфер от 4 I 11/2 до 4 I 13/2 Er3 + йони и спин-орбиталната връзка (т.е. ефекта на "смесване") в кристалното поле от външно магнитно поле. Междувременно наблюдаваме постоянно разширяване на спектъра с нарастваща интензивност на магнитното поле, което се дължи на ефекта от "смесването", индуцирано от магнитното поле и разликата g фактор на подлентите. Този бифункционален материал с контролируеми оптично-магнитни взаимодействия има различни потенциални приложения, като например откриване на оптично магнитно поле и др. .
Двуфункционалните магнитооптични материали получават все по-голямо внимание за своите потенциални приложения във високоточна комуникация, ядрено-магнитен резонанс (MRI), насочване или носители на лекарства, насочване на самолети и откриване на оптично магнитно поле, поради способността им да бъдат откривани в различни модели. оптично и магнитно 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Поради конвенционалните магнитооптични бифункционални материали се получават чрез комбиниране на оптични материали с магнитни материали, което води до разделяне на оптичната и магнитната фази, е много трудно да се реализира взаимодействието между оптичните и магнитните свойства (например настройване на оптичните свойства чрез магнитно поле ) 8, 9, 10, 11. Материалите, легирани с рядкоземни йони (RE), са идеални кандидати за тези функции, тъй като имат богати енергийни нива от 4 f в оптична честота, настройваемост на магнитооптичното взаимодействие с помощта на външно магнитно поле и отлична фотостабилност 12, 13, 14, 15,
Няколко скорошни работи показват, че магнитооптичните взаимодействия могат да се наблюдават едновременно в различни материали чрез RE легиране, например Er 3+ -легирана нано-стъклокерамика 8, YVO 4: Er 3+ 16, 17, Gd203: Er 3+, Yb 3+ 11, 18, NaGdF4: Er 3+, Yb 3+ 19, 20, Nd3 + съвместно легирани NaGdF4: Er 3+, Yb 3+ нанокристали 21 и т.н. В тези материали интензитетът на луминесценция на лентите на емисии на RE йони постепенно намалява (или се увеличава) с увеличаване (или намаляване) на приложеното магнитно поле. В допълнение, NaNbO 3 има перовскитна структура и отлични свойства като пиезоелектрик, фероелектрик, оптоелектроника, нелинейна оптика и други подобни в сравнение с тези основи. По-нататък проучихме оптичното генериране на втора хармоника (SHG) на отделни микроНанокристали NaNbO3 с различни морфологии и размери, които показаха силни нелинейни реакции на SHG 22. Поради неговите предимства и въз основа на нашата изследователска база, ние избрахме NaNbO 3 като материал-гостоприемник, за да се справим с класическата йонна двойка с преобразуване нагоре Er 3+/Yb 3+, която може да преобразува нискоенергийните инфрачервени фотони във високоенергийно видими светлина.
Резултати и дискусия
Фазова чистота, структура и морфология
( а ) XRD модели на NaNbO 3 и NaNbO 3: 2% Er 3+, 20% Yb 3+ нанокристали. ( б ) Кристална структура на кубичен NaNbO3. ( ° С ) TEM изображение на нанокристали NaNb03. (г) Нанокристално разпределение на NaNbO 3.
Изображение в пълен размер
MUL свойства на Er 3+/Yb 3+, съвместно легирани NaNbO 3 нанокристали
Фигура 2 показва ефекта от увеличаването на външното магнитно поле (до 40 T) върху MUL свойствата на Er 3+: 4 S 3/2 → 4 I 15/2 и 4 F 9/2 → 4 I 15/2 прехода в NaNb03: нанокристали 2% Er 3+, 20% Yb 3+ при емисионни спектри от 77 K [(a), (b) интегрирани интензитети на луминесценция]. Магнитното поле е в посока, успоредна на вълнуващото лъчение. Излъченото излъчване се наблюдава в посока, успоредна на приложеното магнитно поле, както и на възбуждащото излъчване. При липса на магнитно поле тази проба излъчва много силно излъчване с емисионни ленти 530-570 nm и 642-685 nm при лазерно възбуждане 976 nm (
150 mW мощност), което съответства на 4 S 3/2 → 4 I 15/2 и 4 F 9/2 → 4 I 15/2 йонни преходи Er3 +, съответно 16, 17, 21. Yb 3+ йони действат като сенсибилизатори към йони Er 3+. Интегрираната интензивност на луминесценция и на двете емисионни ленти първо се увеличава с приложените магнитни полета и след това намалява с увеличаване на приложените магнитни полета. Интегрираната интензивност на луминесценция Er 3+: 4 S 3/2 → 4 I 15/2 може да се увеличи до приблизително 200% от първоначалната стойност в приложеното магнитно поле до 30 T и интегрираната интензивност на луминесценция Er 3+: 4 F 9/2 → 4 I 15/2 може да се увеличи до приблизително 540% от първоначалната стойност в приложеното магнитно поле до 20 T. От фигура 2 е ясно, че емисиите от електрониката 4 fn прехода (4 S 3/2 → 4 I 15/2 и 4 F 9/2 → 4 I 15/2) на йони Er 3+ могат да бъдат ефективно настроени чрез промяна на приложеното магнитно поле при 77 K.
Влияние на външни импулсни магнитни полета (до 40 T) върху свойствата на MUL 4 S 3/2 → 4 I 15/2 и 4 F 9/2 → 4 I 15/2 Er 3+ йонни преходи (възбудени) с помощта на 976 nm лазер) в Er 3+/Yb 3+ нанокристали на NaNb03, депозирани едновременно при 77 K [ а ) емисионни спектри, б ) интегрирана интензивност на луминесценция].
Изображение в пълен размер
Ефектът "разбъркване" е смесването на състояния с помощта на магнитно поле. Този ефект съществува само в кондензирана материя, в която атомните състояния са разделени от кристално поле. Освен това, за да се изследва ефектът на "смесване" върху поднивовете на Старк на прехода Er 3+: 4 S 3/2 → 4 I 15/2 и 4 F 9/2 → 4 I 15/2 в магнитното поле, пиковете на емисионните ленти се адаптират към многократно отлагане на Гаус и се анализират. Емисионната лента Er 3+: 4 S 3/2 → 4 I 15/2 е оборудвана за три пика като 542 nm, 547 nm и 553 nm и емисионната лента Er 3+: 4 F 9/2 → 4 I 15/2 sa, поставени на два върха при 658 nm и 671 nm. Определяме скоростите на интегрирани пикови интензитети при 553 nm и 542 nm на кръстовището 4 S 3/2 → 4 I 15/2 и пикове при 671 nm и 658 nm на кръстовището 4 F 9/2 → 4 I 15/2, това са индексите R = I (553 nm, пик 3)/I (542 nm, пик 1) и R = I (671 nm, пик 5)/I (658 nm, пик 4), които биха могли да се използват за анализираме ефекта на "смесване" при преход на Старк на поднива Er 3+: 4 S 3/2 → 4 I 15/2 и 4 F 9/2 → 4 I 15/2 в различни магнитни полета, както е показано на фиг. 3. Ефектът на "смесване" (взаимодействие на спин-орбитална връзка) може да причини външна енергия (AE) за всяко не-дегенерирано енергийно ниво в приложените магнитни полета, което може да бъде описано чрез следното уравнение (свързаното извеждане е дадено в приложение) 25:
Изображение в пълен размер
( а, ° С ) емисионни спектри 4 S 3/2 → 4 I 15/2 ( а ) и 4 F 9/2 → 4 I 15/2 ( ° С ) преходи на йони Er3 + в нанокристали NaNb03 към различни магнитни полета при 77 К. ( b, d ) Зависимост на изменението на енергията от магнитното поле за прехода 4 S 3/2 → 4 I 15/2 център на емисионната лента при 611 nm ( б ) и 4 F 9/2 → Център на емисионната лента 4 I 15/2 при 671 nm ( д ).
Изображение в пълен размер
където Δσ е промяната на енергията във вълновото число (cm -1), ΔE1 и ΔE2 са външната енергия преди и след прехода в магнитното поле.
Уравнение (2) показва, че енергийната междина между поднивовете на Старк се увеличава с увеличаване на магнитното поле, горните подленти се преместват в по-висока позиция в диаграмата на енергийното ниво, докато долните подленти се преместват в долната позиция, водеща до разширяване на обхвата на емисиите. За преходите Er 3+: 4 S 3/2 → 4 I 15/2 и 4 F 9/2 → 4 I 15/2 в NaNbO 3 нанокристали, връзките между промяната в положението на емисионната лента и магнитната силата на полето е показана на ФИГ. 4 (b, d). Влиянието на изменението на енергията върху интензитета на магнитното поле е нелинейно в приложените магнитни полета, което е малко несъвместимо с линейната връзка според уравнението (2). Тази нелинейна зависимост може да бъде приписана на вариацията на Lande
Интензитетът на излъчване на преобразуването нагоре I UP е пропорционален на n-та сила на интензивността на инфрачервеното възбуждане I IR, която е:
където n е броят на фотоните на помпата, необходим за възбуждане на рядкоземни йони от основно състояние до състояние на излъчване 27, 28 .
Изображение в пълен размер
За повече информация относно процесите на луминесценция с преобразуване на йони Er 3+ в NaNbO 3: Er 3+/Yb 3+ нанокристали, криви на разпадане 4 S 3/2 → 4 I 15/2 и 4 F 9/2 → 4 I 15/2 Er3 + йонни преходи се измерват при 976 nm възбуждане. Както е показано на фигура 6, кривите на разпадане Er 3+ (A без: 976 nm) може да се впишат в една експоненциална функция като 29, 30:
Изображение в пълен размер
където I и I 0 са интензивността на луминесценция в момент ta 0, A е постоянна, t е време и τ представлява продължителността на живота на експонентата. Животът на 4 S3/2 и 4F 9/2 състояния на йони Er3 + за NaNb03: Нанокристалите Er3 +/Yb 3+ е 40 и 61 μs.
Предлагат се възможни луминесцентни процеси на магнитна настройка под външно магнитно поле, както е показано на фигура 7. Емисия 4 S 3/2 → 4 I 15/2 и емисия 4F 9/2 → 4 I 15/2 Er 3+ йони в нанокристали NaNb03: Er 3+/Yb 3+ и двете са двуфотонни процеси. Намаляването на симетрията на мястото води до разделяне на мултиплета 4S3/2 на два дублета на Крамер, които се характеризират с проекции ◽ ± 1/2> и ◽ ± 3/2> на общия импулс J = 3/2 и 4F 9/2 мултиплет е разделен на пет от дублетите на Kramers, характеризиращи се с издатини ◽ ± 1/2>, ◽ ± 3/2>, ◽ ± 5/2>, ◽ ± 7/2> и ◽ ± 9/2> на общ импулс J = 9/2 (в който някои поднива на Старк са дегенерация на кристално поле). Ако се използва външно магнитно поле, преходът без излъчване от 4 I 11/2 към 4 I 13/2 Er 3+ йони се подобрява и ефектът на смесване се осъществява от магнитното поле, което може да повлияе на преходните енергии. и определят интензивността и ширината на спектралните линии.
Er 3+ йонни енергийни нива ( а ) и разпределението на енергийните нива 4 S 3/2 ( б ) и 4 F 9/2 ( ° С ) на йона Er3 в NaNbO3 3 нанокристали в кристалното поле.
Изображение в пълен размер
заключения
В заключение, магнитооптичните бифункционални NaNbO 3: Er 3+, Yb 3+ нанокристали бяха успешно синтезирани по метода на Печини зол-гел, състоящ се от луминесцентния йон Er 3+. Свойствата на луминесценция с преобразуване нагоре на нанокристалите NaNb03: Er 3+, Yb 3+ се настройват ефективно с помощта на магнитно поле при ниска температура. Разширяването на спектрите на преобразуването нагоре се наблюдава с магнитното поле, което може да се отдаде на ефекта от "смесването", индуцирано от магнитното поле и разликата g фактор на подлентите. Наблюдава се повишена луминесценция нагоре с увеличаване на силата на магнитното поле, което може да се дължи главно на немедифицирания преход от 4 I 11/2 до 4 I 13/2 Er3 + йони и подобреното "смесване" .Ефектът в кристалния полето възниква от външното магнитно поле. Този бифункционален материал с контролируеми оптично-магнитни взаимодействия има потенциални приложения във високопрецизната комуникация, ядрено-магнитен резонанс (MRI), насочване или доставка на лекарства, насочване на самолета и откриване на оптично магнитно поле.
методи
Синтез на материали
Натриевите нанокристали натриев ниобат (NaNbO 3), допирани с лантанид (Ln = Er, Yb) (добавки 2% Er 3+, 20% Yb 3+ спрямо йони Na + в структурата) бяха успешно приготвени с помощта на зол-гела на Pechini метод. Изходните материали са натриев карбонат (Na 2 CO 3, AR), лантаниден нитрат (Ln (NO 3) 3 xx H 2 O, 99, 99%), амониев ниобиев оксалат ((NH 4) 3 [NbO (C 2 O 4)]. 3], AR), киселини лимон (CA, AR) и етилен гликол (EG, AR). 0,1 mol% CA се добавя към 10 ml вода с разбъркване и нагряване в тигел до 90 ° C. След разтваряне на CA, правилното количество (NH 4) 3 [NbO (C 2 O 4) 3] се разтваря във вода и след това бяха добавени стехиометрични количества Na2C03 и Ln (NO3) 3 xx H2O. в бистрия разтвор и след това към разтвора се добавя EG. Крайните смеси се смесват старателно и се нагряват при 120 ° С в продължение на 6 часа, докато се получат прозрачни кафяви или жълти гелове. И накрая, за да се получат NaNbO 3: Er 3+, Yb 3+ нанокристали, прекурсорите на гела се калцинират при 700 ° С в продължение на 5 часа в муфелна пещ под атмосфера.
Методи за характеризиране
Кристалната структура и фазовата чистота на подготвените проби бяха изследвани чрез рентгенова дифракция (XRD) (Bruker, D8 ADVANCE анализ с Cu Ka радиация, обработена при 40 kV и 40 mA, λ = 0,155418 nm, стъпка на сканиране 0,02 °, скорост на сканиране 0, 1 s на стъпка). Морфологията и разпределението на размера на пробата бяха наблюдавани чрез електронна микроскопия с висока разделителна способност (HRTEM, JEOL 2100 F). Емисиите на преобразуване нагоре при стайна температура бяха измерени с спектрофлуорометър с висока разделителна способност (FLS920, Edinburgh Instruments, Livingston, UK), оборудван с 976 nm лазерен диод като източник на възбуждане. За прекъсване на светлините с къса дължина на вълната на симулирания лазерен източник е използван 800 nm филтър с дълъг проход (LP) (Andover, Salem, NH). Времето за преобразуване на луминесценцията нагоре се събира със спектрометър (Omni-A3007, Zolix, Пекин, Китай) с цифров осцилоскоп (TDS 2012B, Tektronix, Beaverton, OR) и импулсен лазерен диод като източник на възбуждане (LE-LS-976 ). -5000TFCA, LEO Photoelectric, Шенжен, Китай).
MUL спектрите при импулсно магнитно поле бяха измерени с помощта на подобна оптична система от влакна, описана по-рано 16, 17. Схемата за MUL експерименти в импулсни магнитни полета е показана на ФИГ. 8. Импулсно магнитно поле до 40 T се генерира от течен азотен охлаждащ магнит с устойчивост на бобина с продължителност на импулса 290 ms и падаща страна от 270 ms, който се прилага към пробата. Пробата се поставя в центъра на магнитното поле с оптична сонда. Лазерен лъч, облъчен с 976 nm диодно лазерно лъчение, беше въведен в сондата чрез многомодово влакно и директно осветено върху пробата. MUL спектърът е получен със същото влакно. MUL сигналът е записан от EM-CCD (Andor, DU970P) чрез монохроматор (Andor, SR500). Всички измервания бяха изследвани при стайна температура, с изключение на това, че измерването на MUL спектъра в магнитното поле беше охладено до 77 K.
Изображение в пълен размер
Допълнителна информация
Word документи
Допълнителна информация
Коментари
Изпращайки коментар, вие се съгласявате да спазвате нашите Общи условия и насоки на общността. Ако откриете нещо обидно или несъвместимо с нашите условия или насоки, означете го като неподходящо.