Optimisasi Luminescensi Upconversion pada Nanokristal BaYF₅:Er³⁺/Yb³⁺ melalui Sintesis Solvothermal Terkontrol

Abstrak

Studi ini melaporkan jalur solvothermal yang mudah untuk sintesis nanokristal BaYF₅ codoped Er³⁺/Yb³⁺ dengan ukuran dan morfologi yang dapat diatur. Dengan secara sistematis memvariasikan sumber fluorida, pH, pelarut, surfaktan, konsentrasi Yb³⁺, suhu, dan waktu reaksi, kami mengidentifikasi kondisi yang secara signifikan meningkatkan luminescensi upconversion (UC). NaBF₄ muncul sebagai sumber fluorida yang superior, menghasilkan emisi hijau (520–540 nm) dan merah (654 nm) hingga beberapa kali lebih kuat dibandingkan NH₄F atau NaF. Penambahan 5 % polyetherimide (PEI) sebagai surfaktan lebih memperkuat output UC, sedangkan asam sitrat (CIT) meningkatkan ukuran partikel dan mengurangi kecerahan.

Latar Belakang

Nanofosfor upconversion (UCNPs) sangat penting dalam berbagai aplikasi—dari laser padat dan citra medis hingga anti-palsu dan penantian kuanta—karena kemampuan unik mereka untuk mengkonversi foton energi rendah menjadi cahaya terlihat. Host fluorida, terutama NaYF₄, banyak digunakan karena energi fonon rendah dan stabilitas kimia, namun penelitian terbaru telah diperluas ke BaYF₅ dan sistem BREF₅ terkait (B = Mg, Ba, Ca, Sr), yang menunjukkan performa UC yang superior. Codoping Er³⁺/Yb³⁺ sangat efektif: Yb³⁺ bertindak sebagai sensibilis yang efisien yang mentransfer energi ke Er³⁺, yang kemudian memancar di wilayah spektral hijau dan merah. BaYF₅ adalah host yang ideal karena parameter jaringan dan kompatibilitas radius ion dengan Er³⁺ dan Yb³⁺.

Faktor kunci yang mempengaruhi efisiensi UC meliputi ukuran partikel, morfologi, fase kristal, dan distribusi dopan. Partikel bola dengan distribusi ukuran yang seragam mempromosikan pencaran cahaya dan rasio permukaan-volume, meningkatkan emisi UC. Pekerjaan ini menjelajahi bagaimana parameter sintesis membentuk properti ini dan pada akhirnya output luminescensi.

Eksperimen

Semua reagen adalah grade analitis (Ba(OH)₂·xH₂O, Y(NO₃)₃·6H₂O, Yb₂O₃, (CH₃COO)₃Er, NaBF₄, NH₄F, NaF, asam oleat, etanol). Yb₂O₃ terlebih dahulu dilarutkan dalam asam nitrat cair untuk menghasilkan Yb(NO₃)₃. Dalam sintesis typis, jumlah stokhiometrik Ba(OH)₂·xH₂O, Y(NO₃)₃·6H₂O, (CH₃COO)₃Er, Yb(NO₃)₃, dan NaBF₄ dilarutkan dalam air deionisasi. Asam oleat dan etanol ditambahkan dalam rasio yang ditetapkan; pH disesuaikan menjadi 9 menggunakan NH₃·H₂O. Setelah 30 min pengadukan, campuran dirak dalam autoklaf dilapisi Teflon dan dipanaskan pada 200 °C selama 16 jam (atau diubah sesuai kebutuhan). Produk dikoleksi melalui sentrifugasi, dicuci dengan etanol dan air, dan dikeringkan pada 60 °C selama 12 jam.

Karakterisasi

Kemurnian fase dikonfirmasi oleh difraksi sinar X (XRD) pada Bruker D8 Advance (Cu Kα, 10–70° 2θ). Fotoluminesensi (PL) direkam pada Edinburgh Instruments FLS-920 dengan eksitasi 980-nm. Morfologi dan komposisi diperiksa oleh SEM (S-3400N-II) dan EDS.

Hasil dan Pembahasan

Fase dan Kristalinitas

Semua sampel kristal dalam fase tetragonal BaYF₅ (JCPDS 46-0039). Tidak ada fasa sekunder yang muncul ketika NaBF₄ digunakan; impuritas BaF₂ kecil hanya diamati pada pH 4, yang menunjukkan bahwa pH lebih tinggi menekan produk samping yang tidak diinginkan. Puncak bergeser ke nilai 2θ yang lebih tinggi, yang konsisten dengan kontraksi jaringan karena radius ion yang lebih kecil dari Er³⁺ dan Yb³⁺ dibandingkan Y³⁺. Ukuran kristal meningkat dengan suhu dan waktu reaksi yang lebih tinggi, seperti yang diukur oleh persamaan Scherrer.

Morfologi Partikel

Gambar SEM menunjukkan partikel bola yang bervariasi dari ~30 nm (kondisi optimal: 220 °C, 24 jam) hingga ~180 nm (suhu tinggi, 220 °C, 16 jam). Penambahan PEI menghasilkan bola yang terdistribusi seragam dan terdispersi dengan baik, sedangkan CIT menyebabkan agregasi dan pertumbuhan ke skala mikrometer, terutama pada rasio CIT/Y = 4:1.

Luminescensi Upconversion

Spektrum UC menunjukkan pita hijau (520, 540 nm) dan merah (654 nm) karakteristik dari transisi Er³⁺. Intensitas emisi meningkat dengan kristalinitas dan keseragaman partikel. Konsentrasi Yb³⁺ optimal adalah 20 %—tingkat yang lebih tinggi menyebabkan penurunan konsentrasi. NaBF₄ sebagai sumber fluorida menghasilkan emisi terang; NaF dan NH₄F menghasilkan sinyal yang lebih lemah karena rilis F⁻ yang cepat dan tidak terkontrol yang menghambat pertumbuhan kristal. PEI (5 %) lebih meningkatkan output UC dengan meningkatkan kristalinitas dan membatasi pertumbuhan partikel, sedangkan CIT mengurangi kecerahan dengan memperbesar ukuran partikel dan mencairkan konsentrasi dopan.

Wawasan Mekanisme

Proses UC mengikuti jalur transfer energi Yb³⁺ → Er³⁺ yang terbentuk: Yb³⁺ menyerap foton 980 nm, mentransfer energi ke Er³⁺, mempopulasi keadaan ⁴I₁₁/₂ dan ⁴F₇/₂. Relaksasi non-radiatif berikutnya mengarah pada emisi hijau (⁴S₃/₂, ²H₁₁/₂ → ⁴I₁₅/₂) dan merah (⁴F₉/₂ → ⁴I₁₅/₂). Faktor struktural seperti ukuran partikel dan kristalinitas memodulasi jalur relaksasi silang dan quenching permukaan, sehingga mempengaruhi spektrum yang diamati.

Kesimpulan

Nanokristal BaYF₅:20 %Yb³⁺/2 %Er³⁺ dengan morfologi terkontrol dan kristalinitas tinggi berhasil disiapkan melalui sintesis solvothermal. NaBF₄ sebagai sumber fluorida dan 5 % PEI surfaktan sangat penting untuk mencapai partikel bola seragam (~30 nm) dan emisi UC maksimal. Studi ini memberikan peta jalan yang jelas untuk menyesuaikan parameter sintesis untuk mengoptimalkan performa UC dalam host BaYF₅.