Respons Suhu Optik yang Ditingkatkan pada Kaca Keramik Hexagonal NaGdF₄ Doped Er³⁺ melalui Co-Doping Tm³⁺

Abstrak

Kaca keramik hexagonal NaGdF₄ transparan yang di-dop Er³⁺ atau co-dop Er³⁺/Tm³⁺ difabrikasi oleh melt-quenching. Eksitasi 980-nm menggeser emisi sampel yang di-dop Er³⁺ dari hijau ke merah seiring meningkatnya konsentrasi Tm³⁺. Spektrum emisi, rasio penurunan termal, rasio intensitas fluoresensi, dan sensitivitas suhu optik bervariasi secara sistematik dengan daya pompa. Sensitivitas relatif tertinggi (S_R) mencapai 0,001 K⁻¹ pada 334 K untuk sampel yang hanya di-dop Er³⁺ dan 0,00081 K⁻¹ pada 292 K untuk sampel co-dop Er³⁺/Tm³⁺. Hasil ini menunjukkan respons suhu optik yang dapat diatur dan menekankan pengaruh daya eksitasi pada sensitivitas kaca keramik NaGdF₄ yang di-dop Er³⁺.

Latar Belakang

Up-conversion (UC) inframerah-ke-visible dalam material yang di-dop lanthanide trivalen telah menarik perhatian untuk deteksi inframerah, sel surya, dan termometri optik [1–10]. Er³⁺ sangat menarik untuk sensing suhu karena dua pasang tingkat yang terhubung termal (²H_11/2,⁴S_3/2) dan (²D_7/2,⁴G_9/2) menunjukkan rasio intensitas fluoresensi yang bergantung pada suhu (FIR) [13]. Sensitivitas maksimum yang dilaporkan dari material UC berbasis Er³⁺ berkisar dari 0,0052 K⁻¹ hingga 0,0086 K⁻¹, namun sebagian besar studi mengabaikan peran daya eksitasi, yang dapat secara signifikan mempengaruhi populasi tingkat yang terhubung termal [18–20]. NaGdF₄ adalah host dengan fonon rendah dan kimiawi stabil yang telah menunjukkan perilaku UC dan sensitivitas suhu yang menjanjikan untuk Er³⁺ [23]. Namun, dampak daya pompa dan co-doping dengan Tm³⁺—yang dapat memediasi transfer energi dan memodifikasi emisi—belum dieksplorasi. Studi ini menyelidiki kaca keramik NaGdF₄ yang di-dop Er³⁺ tunggal dan co-dop Er³⁺/Tm³⁺, dengan fokus pada bagaimana konsentrasi Tm³⁺ dan daya eksitasi mengubah respons suhu optik mereka.

Metode

Sampel kaca keramik dengan komposisi 70,1SiO₂–4,3Al₂O₃–1,8AlF₃–2,3Na₂CO₃–18,5NaF–(2,4–x)Gd₂O₃–0,6Er₂O₃–xTm₂O₃ (x = 0, 0,05, 0,10, 0,15, 0,20) disiapkan oleh melt-quenching. Setiap batch 20 g digiling, dilelehkan pada 1600 °C selama 45 menit dalam tabul korundum, dicetak dalam cetakan kuning, dan dianil pada 700 °C selama 20 jam untuk menginduksi kristalisasi. Keramik transparan yang dihasilkan diberi label NGF1–NGF5. Keurnuran fase dikonfirmasi oleh XRD (Cu Kα, 1,54056 nm), sementara morfologi dan ukuran butiran diperiksa oleh TEM dan HRTEM. Luminesensi direkam dengan spektrometer Acton SpectraPro SP-2300 di bawah eksitasi 980-nm, dan spektrum yang bergantung pada suhu diperoleh menggunakan sistem INSTEC HCS302.

Hasil dan Pembahasan

Analisis struktural (Gambar 1) mengonfirmasi pembentukan kristal nano hexagonal NaGdF₄ (~30–55 nm) dengan sisi jaring (111) yang jelas (0,23 nm) dan puncak XRD yang cocok dengan JCPDS 27-0667. Spektrum serap (Gambar 2) mengungkapkan transisi Er³⁺ karakteristik (378, 405, 488, 520, 652, 972, 1532 nm) dan puncak Tm³⁺ pada 450 dan 1206 nm. Co-doping mengubah serapan 800-nm, menunjukkan transfer energi gabungan Er³⁺–Tm³⁺.

Di bawah eksitasi 980-nm, NGF1–NGF5 menampilkan emisi up-conversion yang berbeda (Gambar 3a). Seiring meningkatnya kandungan Tm³⁺, garis hijau 509-nm menurun, intensitas hijau 542-nm berkurang, sementara emisi merah 660-nm awalnya naik lalu turun. Rasio intensitas merah-ke-hijau (Gambar 3b) mencapai puncak dan kemudian stabil, memberikan bukti akan output warna yang dapat diatur yang diarahkan oleh transfer energi yang diantarkan Tm³⁺.

Jalur transfer energi (Gambar 4) melibatkan serapan keadaan dasar (GSA) dan serapan keadaan terangsang (ESA) dari Er³⁺, diikuti oleh relaksasi non-radiasi ke tingkat 4S_3/2 dan 4F_9/2. Transfer energi dari Er³⁺ 4S_3/2 ke Tm³⁺ 3H₆ (→Tm³⁺ 3F₄) mematikan emisi hijau, sementara transfer dari Er³⁺ 4I_11/2 ke Tm³⁺ 3F₄ mempopulasikan tingkat 4F_9/2 yang memancarkan merah. Jalur ET tambahan yang melibatkan Tm³⁺ 3H₅ lebih meningkatkan emisi merah.

Spektrum UC yang bergantung pada suhu (Gambar 5) menunjukkan bahwa pita hijau 4S_3/2 melemah seiring meningkatnya suhu, sementara pita 2H_11/2 (509 nm) naik karena populasi termal. Hubungan tipe Boltzmann antara intensitas 2H_11/2 dan 4S_3/2 (Persamaan 3) difit dengan baik (Gambar 8), mengonfirmasi sifat yang terhubung termal dari tingkat ini.

Rasio penurunan termal R_Q (Gambar 6) bervariasi dengan daya eksitasi: pada daya rendah (66,8 mW cm⁻²), R_Q untuk 660 nm besar, menunjukkan penurunan yang signifikan yang diinduksi suhu, sedangkan pada daya tinggi (322,4 mW cm⁻²) perilaku penurunan berbeda, menekankan ketergantungan daya pada dinamika emisi.

Plot log-log intensitas emisi versus daya pompa (Gambar 7) menghasilkan kemiringan n < 2 tetapi > 1 untuk pita hijau (542 nm) dan merah (660 nm), mengonfirmasi mekanisme UC dua-foton yang berlangsung di seluruh rentang suhu.

Sensitivitas relatif S_R (Persamaan 4) mencapai 0,001 K⁻¹ pada 334 K untuk sampel yang hanya di-dop Er³⁺ dan 0,00081 K⁻¹ pada 292 K untuk sampel co-dop Er³⁺/Tm³⁺ (Gambar 9). Puncak sensitivitas bergerak ke suhu yang lebih rendah dengan insentif Tm³⁺, memperluas rentang yang berguna ke domain suhu kamar yang dekat. Sensitivitas juga bergantung pada daya pompa: daya tinggi umumnya mengurangi S_R, namun pada sampel co-dop muncul maksimum di dekat 322,4 mW cm⁻².

Dibandingkan dengan termometer UC berbasis Er³⁺ lainnya, sistem Er³⁺/Tm³⁺/NaGdF₄ menunjukkan sensitivitas yang kompetitif atau unggul, yang dapat ditandai pada pemisahan energi besar (ΔE) antara tingkat yang terhubung termal dan jaring keramik yang kokoh.

Kesimpulan

Kaca keramik NaGdF₄ yang di-dop Er³⁺ dan co-dop Er³⁺/Tm³⁺ yang difabrikasi oleh melt-quenching menampilkan emisi visible yang dapat diatur dari hijau ke merah di bawah eksitasi 980-nm. Respons suhu optik—yang ditandai oleh spektrum emisi, penurunan termal, FIR, dan sensitivitas—bergantung secara kuat pada konsentrasi Tm³⁺ dan daya pompa. Sensitivitas relatif maksimum 0,001 K⁻¹ pada 334 K (hanya Er³⁺) dan 0,00081 K⁻¹ pada 292 K (co-dop) menunjukkan kelayakan material ini untuk termometri optik yang presisi di seluruh 298–573 K. Temuan ini menekankan pentingnya co-doping dan kondisi eksitasi dalam merancang sensor suhu berbasis UC.