Nanofosfor Upkonversi Tinggi Efisiensi: La0.97RE0.01Yb0.02O2S yang Diperoleh dari Prakursor Sulfat Hidroksil Lapisan (RE = Ho, Er)
Abstrak
Nanofosfor upkonversi fase murni (La0.97RE0.01Yb0.02)2O2S (ukuran kristal rata-rata ≈45 nm; RE = Ho, Er) diperoleh dengan menganalkan pra-pursor sulfat hidroksil lapisan yang kristal hidrotemis dalam aliran hidrogen pada 1200 °C selama 1 jam, menghasilkan uap air sebagai buangan tunggal. Di bawah eksitasi laser 978-nm (hingga 2,0 W), sampel yang di-dop Ho3+ menampilkan emisi hijau (~546 nm), merah (~658 nm), dan inframerah dekat yang kuat (~763 nm), dengan koordinat kromatis yang stabil sekitar (0,30, 0,66) dalam rentang visibel (400–700 nm). Fosfor yang di-dop Er3+ memancarkan band hijau yang lemah (~527/549 nm) dan merah (~668/672 nm), tetapi luminescensi inframerah dekat yang jelas (~807/858 nm). Koordinat kromatis wilayah visibel bergeser dari (0,36, 0,61) menjadi (0,32, 0,64) seiring peningkatan daya eksitasi dari 0,7 hingga 2,0 W. Analisis bergantung pada daya mengungkapkan proses tiga-foton untuk Ho dan proses dua-foton untuk Er, memberikan wawasan tentang mekanisme upkonversi yang mendasarinya.
Latar Belakang
Fosfor upkonversi (UC) mengubah radiasi panjang gelombang menjadi fluoresensi panjang gelombang pendek dan sangat penting untuk laser padat, tampilan multicolor, citra medis, dan konversi panjang gelombang sel surya. Biasanya, sensitizer seperti Yb3+ menyerap foton 980-nm, mentransfer energi ke aktivator (Ho3+, Er3+, Tm3+) dengan level energi yang seperti tangga yang memungkinkan serapan foton berurutan. Oksisulfida lantanida (RE2O2S) menggabungkan energi fonon rendah (~500 cm⁻¹) dari sulfida dengan stabilitas kimia oksida, mencapai efisiensi upkonversi yang setara dengan halida sambil menghindari pra-pursor halida beracun. Namun, rute sintesis yang dapat diskalakan yang menghasilkan fosfor fase murni berukuran nano masih terbatas. Pra-pursor sulfat hidroksil lapisan (RE2(OH)4SO4·2H2O) dapat kristal hidrotemis dan kemudian direduksi menjadi RE2O2S dalam hidrogen, menawarkan konversi satu langkah yang hijau dengan produk samping minimal.
Metode
Garam awal (RE(NO3)3·6H2O, (NH4)2SO4, NH3·H2O) dicampur untuk mencapai 2 at.% Yb3+ dan 1 at.% Ho3+ atau Er3+. Setelah menyesuaikan larutan ke pH 9 dengan ammonia, campuran dicatup dalam autoklav Teflon 100-ml dan dirawat hidrotemis pada 100 °C selama 24 jam. Nanoplates sulfat hidroksil yang dihasilkan dikumpulkan, dicuci, dan dikering pada 70 °C. Untuk mengonversi menjadi oksisulfida, pra-pursor dianalkan dalam aliran H₂ (200 mL min⁻¹) pada 1200 °C selama 1 jam, pemanasan pada 5 °C min⁻¹. Keurniaan fase dikonfirmasi dengan XRD (Rigaku RINT2200), sementara morfologi partikel diperiksa dengan FE-SEM (Hitachi S-5000). Spektrum UC direkam pada suhu ruang dengan laser CW 978-nm (BWT KS3–12322-105) menggunakan fluorospektrofotometer JASCO FP-6500 (S/N ≥ 200).
Hasil dan Pembahasan
Pola XRD produk hidrotemis cocok dengan struktur sulfat hidroksil lapisan (La2(OH)4SO4·2H2O), sedangkan sampel yang dianalkan kristal menjadi La2O2S heksagonal (grup ruang P-3m1). Parameter jaringan menyusut secara sistematik dengan ion RE3+ yang lebih kecil, mengonfirmasi pembentukan larutan padat. Citra FE-SEM menunjukkan nanoplate (150–550 nm × 20–30 nm) yang fragmentasi menjadi partikel bundar setelah kalinasi, menghasilkan kristal ~45 nm.
Di bawah eksitasi 978-nm, sampel Ho3+ memancarkan band hijau yang kuat (~546 nm), merah yang lemah (~658 nm), dan NIR dominan (~763 nm), sementara sampel Er3+ menunjukkan emisi hijau yang lemah (~527/549 nm), merah yang lemah (~668/672 nm), dan NIR yang kuat (~807/858 nm). Koordinat kromatis untuk Ho tetap stabil pada (0,30, 0,66), sedangkan Er bergeser dari (0,36, 0,61) menjadi (0,32, 0,64) seiring peningkatan daya, yang mencerminkan rasio hijau-merah yang lebih tinggi.
Plot log-log intensitas emisi versus daya eksitasi mengungkapkan kemiringan sekitar 3 untuk emisi Ho, yang menunjukkan jalur upkonversi tiga-foton, dan kemiringan sekitar 2 untuk emisi Er, yang menunjukkan proses dua-foton. Diagram transfer energi, yang diadaptasi dari literatur, menjelaskan langkah eksitasi berurutan Yb→Ho/Er dan relaksasi non-radiasi yang mengarah pada emisi yang diamati.
Kesimpulan
Nanofosfor upkonversi La0.97RE0.01Yb0.02O2S (RE = Ho, Er) berhasil dihasilkan melalui reduksi hidrogen nanoplate sulfat hidroksil yang kristal hidrotemis. Partikel ~45 nm yang dihasilkan menunjukkan emisi upkonversi yang cerah di bawah eksitasi 978-nm: kaskad hijau-NIR tiga-foton untuk Ho dan urutan hijau-merah-NIR dua-foton untuk Er. Kromatis Ho tetap tetap, sementara Er menunjukkan pergeseran warna yang dapat dikontrol dengan daya. Temuan ini menyoroti rute yang dapat diskalakan dan ramah lingkungan untuk fosfor upkonversi berkinerja tinggi untuk aplikasi optoelektronik dan medis.
