Mikrofiber Polimer Digabungkan dengan Nanopartikel Perak:Platform Baru untuk Penginderaan Optik

Abstrak

Sensitivitas yang ditingkatkan dari pendaran konversi naik sangat penting untuk penerapan nanopartikel konversi naik (UCNPs). Dalam penelitian ini, serat mikro dibuat setelah co-doping UCNPs dengan larutan polimetilmetakrilat (PMMA) dan perak (Ag). Kehilangan transmisi dan sensitivitas UCNPs (tetrogonal-LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ ) dengan adanya dan tidak adanya Ag diselidiki. Sensitivitas pendaran konversi naik dengan Ag (LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ /Ag) adalah 0,0095 K⁻¹ dan direduksi menjadi (LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ ) 0,0065 K⁻¹ tanpa Ag pada 303 K di bawah sumber laser (980 nm). Serat mikro UCNP dengan Ag menunjukkan kehilangan transmisi yang lebih rendah dan sensitivitas yang lebih tinggi daripada tanpa Ag dan dapat berfungsi sebagai kandidat yang menjanjikan untuk aplikasi optik. Ini adalah pengamatan pertama dari microfiber yang didoping Ag melalui metode yang mudah.

Latar Belakang

Nanopartikel konversi (UCNPs) setelah co-doping dengan ion lantanida telah menarik banyak perhatian karena aplikasi dalam pencitraan, bahan laser, teknologi tampilan, dan sel surya [1,2,3]. Efisiensi emisi fluoresensi yang rendah dari UCNPs dapat disebabkan oleh koefisien penyerapan ion lantanida yang kecil. Dispersi nano partikel nano logam dalam substrat polimer dan anorganik telah memicu minat besar dalam sifat fisik, kimia, dan biologi baru dari bahan nanokomposit [4]. Untuk aplikasi potensial dari miniaturisasi lebih lanjut dari komponen elektronik, detektor optik, sensor kimia dan biokimia, dan perangkat kemungkinan menarik dengan nanopartikel logam. Selain itu, semikonduktor telah digunakan sebagai sensitizer untuk memperluas rentang penyerapan, seperti CdSe, CdS, PbS, WO₃ , dan Cu₂ O [5, 6]. Di antara semikonduktor ini, Cu₂ O adalah kandidat yang menarik karena celah pita sempitnya ~ 2,1 eV, tidak beracun, biaya rendah dan kelimpahan tetapi heterostruktur Cu₂ O/ZnO adalah struktur material yang menjanjikan. Ini mengarah pada integrasi fungsional, properti efek antarmuka baru dari Cu₂ bahan O dan ZnO [7]. Di sisi lain, UCNPs menggambarkan sifat unggul relatif terhadap titik-titik kuantum semikonduktor misalnya tidak adanya penetrasi jaringan autofluoresensi eksitasi laser inframerah-dekat, non-berkedip, dan stabilitas kimia yang tinggi [8]. Sintesis bahan yang didoping lantanida dengan nanopartikel berbentuk bola dan nanorod telah dipelajari oleh banyak kelompok penelitian [9]. Masalah oksidasi UCNPs terjadi pada suhu tinggi secara signifikan yang mengurangi aplikasi mereka. Untuk menghindari oksidasi, struktur inti/kulit mengatasi oksidasi sedangkan SiO₂ cangkang tumbuh di sekitar nanocrystals. Integrasi nanocrystal pada chip sebagai detektor cahaya struktur mikro sulit dilakukan. Oleh karena itu, tabung mikro, nanofiber kuantum dot-doping, dan kawat nano polimer dye-doped telah digunakan dalam teknologi optoelektronik mikrostruktur setelah penyelidikan sukses [10]. Sejalan dengan itu, kawat nano, tabung mikro, dan serat nano telah dibuat dan digunakan untuk membahas perilaku penginderaan termal oleh kelompok penelitian yang berbeda [11, 12].

Namun, nanopartikel logam (MNPs) telah dipertimbangkan untuk meningkatkan efisiensi UCNPs. Strategi yang berbeda termasuk modifikasi kimia, struktur kristal, dan penyesuaian medan lokal logam telah diusulkan untuk meningkatkan efisiensi dan sensitivitas [13]. Investigasi bahan pendaran ion-doped tanah jarang untuk peningkatan pendaran struktur nano logam seperti Er³⁺ /Yb³⁺ gelas bismut-germinate co-doped yang mengandung nanopartikel Ag dan Er³⁺ /Yb³⁺ co-doping -NaLuF₄ nanocrystals yang spin-coated di atas NP emas telah dilaporkan dengan hasil yang tidak konsisten dan sensitivitas tinggi [14]. Selain itu, emisi yang diinduksi agregasi (AIE) adalah fenomena fluoresensi khas yang menunjukkan bahwa beberapa pewarna dapat memancarkan fluoresensi yang lebih kuat dalam keadaan padatnya daripada dalam larutan dispersi [15,16,17]. Mekanisme yang berbeda termasuk pembentukan J-agregat, planarisasi konformasi, dan transfer muatan intramolekul bengkok untuk fenomena AIE telah diusulkan sebelumnya oleh para peneliti [18,19,20,21,22]. Selain itu, bahan dengan karakteristik AIE telah menarik lebih banyak perhatian penelitian untuk aplikasi potensial di berbagai bidang organic light-emitting diode, chemosensing, dan bioimaging [23,24,25,26,27]. Khususnya, persiapan nanopartikel organik fluoresen aktif-AIE telah menarik perhatian baru-baru ini. Bahan-bahan yang mengandung pewarna AIE ini dapat memancarkan pendaran yang kuat dalam larutan fisiologis yang secara efektif mengatasi efek pendinginan yang disebabkan oleh agregasi dari nanopartikel organik fluoresen berdasarkan pewarna organik yang khas [28, 29]. Meskipun banyak strategi untuk preparasi nanopartikel organik fluoresen aktif-AIE telah dikembangkan, preparasi AIE-aktif melalui reaksi multikomponen (MCR) yang lancar dan efektif jarang mendapat perhatian karena ketidaksesuaian dengan data eksperimen [30,31,32,33] ,34]. Jadi, sifat unik AIE pewarna menunjukkan sangat menjanjikan untuk pembuatan nanopartikel polimer luminescent ultra-terang [35, 36].

Dalam studi eksperimental maksimum, sampel bubuk digunakan untuk melakukan pengukuran spektral yang meningkatkan kekhawatiran mengenai pengaruh agregasi antar-refleksi. Oleh karena itu, diperlukan strategi yang mudah dan sederhana untuk mengatasi kelemahan-kelemahan tersebut di atas. Dengan demikian, nanopartikel Ag setelah co-doping dengan UCNPs dan larutan PMMA digunakan dalam serat mikro untuk meningkatkan pendaran. Namun, tidak ada hasil yang dijelaskan dengan fokus pada UCNP yang didoping bersama Ag ke serat mikro (UCNPs-MF).

Di sini, kami menyajikan metode yang mudah untuk menyiapkan serat mikro dari UCNPs/PMMA dengan dan tanpa larutan Ag. Khususnya, sifat fotoluminesensi Ag dan tidak adanya serat mikro yang didoping bersama Ag dipelajari pada berbagai titik eksitasi serat mikro. Selain itu, karakteristik pendaran UC dari serat mikro diselidiki oleh sumber laser dioda 980 nm yang menarik pada suhu yang berbeda untuk tujuan penginderaan suhu. Ketergantungan FIR terintegrasi pada suhu diperoleh dan data eksperimen dapat dilengkapi dengan baik dengan fungsi eksponensial. Jadi, serat mikro tunggal yang memiliki transisi level 2H11/2→4I15/2 dan 4S3/2→4I15/2 pada 522 dan 541 nm digunakan untuk menghitung sensitivitas termal.

Bagian Eksperimen dan Metode

Materi

Serbuk perak (Ag), kloroform, sikloheksana, NaOH, NH₄ F, dan etanol dibeli dari Shanghai Chemical Company, China. Bahan kimia ini memiliki tingkat analitik dan digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut.

Persiapan Tetrogonal-LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ Nanopartikel

UCNP (tetrogonal-LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ ) dibuat menggunakan teknik dekomposisi termal. Digunakan labu leher tiga 100 mL yang mengandung ion tanah jarang dengan LnCl₃ (Ln=Lu, Yb, Er) masing-masing memiliki rasio molar 78:22:1. Solusinya termasuk 15 mL 1-octadecene (ODE) dan 6 mL asam oleat (OA). Campuran dipanaskan hingga 150 °C untuk mendapatkan larutan yang jernih dan didinginkan hingga suhu kamar setelah menghilangkan oksigen dan air sisa. Empat milimol NH₄ F dan 2,5 mmol NaOH ditambahkan perlahan-lahan ke dalam labu yang berisi 10 mL larutan metanol. Untuk mengkonfirmasi, fluorida dilarutkan seluruhnya dengan proses pengadukan hingga 30 menit setelah itu larutan yang disiapkan dipanaskan pada 300 °C dengan laju 50 °C/menit selama 1 jam di bawah atmosfer argon. Endapan dipisahkan pada kecepatan 4000 rpm dan didinginkan hingga suhu kamar, dicuci dengan etanol, dan dikeringkan pada suhu 60°C selama 12 h.

Fabrikasi Serat Co-doped Ag

Dalam proses fabrikasi yang khas, 0,003 g Ag, 0,005 g tetrogonol-LiYF₄ :22%Yb³⁺ /1%Er³⁺ , dan 0,6 g PMMA dicampur secara terpisah dalam 15 ml, 12 ml, dan 18 ml sikloheksana (C₆ H₁₂ ) dan kloroform (CHCl₃ ) solusi, masing-masing. Setelah itu, campuran PMMA secara bertahap dituangkan ke dalam larutan Ag dan UCNP dan diaduk selama 30 menit sampai diperoleh larutan transparan. Sebuah probe serat dengan ujung berukuran beberapa mikron dibuat menggunakan teknik menggambar yang dipanaskan dengan api. Setelah larutan campuran dijatuhkan pada substrat kaca, probe serat kemudian dicelupkan ke dalam larutan campuran dan ditarik dengan cepat untuk membuat serat mikro. Serat mikro kemudian ditarik dan dipotong kecil-kecil, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.

Proses fabrikasi serat mikro yang didoping bersama Ag (a ) Penarikan serat mikro dari larutan PMMA+NPs+Ag. b Memotong tampilan serat mikro yang dibuat menjadi potongan-potongan kecil

Pengukuran Spektra

Gambar 2 menunjukkan pengaturan eksperimental, untuk mempelajari sifat termal dan optik serat mikro. Serat mikro diterangi menggunakan sumber eksitasi 980 nm setelah disimpan pada substrat kaca. Untuk mengukur kehilangan transmisi mikrofiber, x20 objektif (NA = 0.4) digunakan. Kamera charge-coupled device (CCD, ACTON) diterapkan untuk mendapatkan spektrum emisi serat mikro, dan spektrometer optik laut digunakan untuk merekam spektrum untuk pengukuran penginderaan suhu. Eksitasi serat mikro yang memiliki diameter berbeda ditunjukkan dengan sumber laser 980 nm di bawah daya laser 0,998 mW untuk mempelajari sifat termal mikroskopis.

Penyiapan eksperimental fenomena pemandu gelombang

Hasil dan Diskusi

Properti Struktur dan Transmisi

Kemurnian fasa dan struktur kristal UCNP dipelajari dengan menggunakan teknik difraksi sinar-X (XRD, Rigaku Miniflex II). Pola puncak XRD yang diamati (Gbr. 3a) diindeks dengan baik dan sesuai dengan kartu JCPDS # 17-0874. Gambar 3(b) menampilkan gambar pemindaian mikroskop elektron (SEM, NOva Nano-SEM 650) dari serat mikro. Salah satu gambar SEM dapat dilihat dengan jelas (lihat sisipan) yang menunjukkan bahwa serat mikro memiliki diameter yang seragam, dengan permukaan yang halus. Untuk resolusi yang lebih baik, kami menggunakan mikroskop elektron transmisi (TEM, Tecnai G2F30) dan analisis sinar-X dispersi energi (EDS, Tecnai G2F30) untuk menyelidiki serat mikro yang dikotori bersama Ag. Gambar 3(c, d) masing-masing menunjukkan gambar TEM dan EDS, yang mengkonfirmasi bukti kuat dari dispersi seragam nanopartikel ko-doping Ag dalam serat mikro tunggal.

Proses karakterisasi LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ dan mikrofiber yang didoping bersama Ag. a XRD dari LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ . b SEM dari mikrofiber yang didoping bersama Ag. c TEM Of Ag co-doped microfiber. d EDS dari serat mikro yang didoping bersama Ag

Selanjutnya, spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS, Thermofisher Escalab 250Xi) digunakan untuk menentukan keberhasilan penggabungan ion tanah jarang dan ion Ag ke dalam LiYF₄ bahan inang seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a-f. Spektrum survei XPS (Gbr. 4a) menunjukkan adanya elemen Li, Y, F, Yb, Er, dan Ag, dan puncak pada 55,25 eV dapat ditentukan untuk energi ikat Li 1s (Gbr. 4b). Puncak yang diamati pada 158,08 eV (Gbr. 4c) dapat ditetapkan ke Y 3d. Puncak pada 684.08 eV dikaitkan dengan energi ikat F1s (Gbr. 4d). Puncak Yb 4d dan Er 4d (Gbr. 4e) dapat diamati masing-masing pada 186,08 dan 164,08 eV. Puncak yang terletak pada 359,08 eV terkait dengan energi ikat Ag 3d. Ini menegaskan keberhasilan tridoping ion Ag di LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ nanopartikel [37].

XPS a survei, b Li 1s, c Y 3d, d F 1s, e Yb dan Er 4d, dan f Ag spektrum 3d LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ NP yang didoping dengan Ag

Gambar 5a menunjukkan spektrum sinar inframerah transformasi Fourier (FTIR, Nicolet50 NTA449F3) dari LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ /Ag nanopartikel di wilayah 400–4000 cm⁻¹ . Studi dilakukan untuk memastikan kemurnian dan sifat nanopartikel. Puncak diamati pada 3452 cm⁻¹ mungkin karena peregangan O-H dan deformasi. Pita pada 2925 dan 2848 cm⁻¹ terkait dengan asimetris (u_sebagai ) dan simetris (u_s ) vibrasi regangan metilen (−CH₂ ) dalam alkil panjang molekul oleat, masing-masing. Pita pada 1566 dan 1469 cm⁻¹ dapat ditetapkan ke asimetris (u_sebagai ) dan simetris (u_s ) masing-masing vibrasi regangan gugus karboksilat. Spektrum mengandung puncak pada 1740 cm⁻¹ akibat vibrasi ulur C=O. Puncaknya terletak di 1383 cm⁻¹ sesuai dengan getaran deformasi C-H. Spektrum juga mengandung puncak pada 910 dan 669 cm⁻¹ yang disebabkan oleh vibrasi ulur asimetris dan vibrasi deformasi Ag-O. Artinya hasil FTIR sudah sesuai dengan nilai literatur [38].

a Spektrum FTIR LiYF₄ :Er³⁺ /Yb³⁺ /Ag. b Spektrum TGA LiYF₄ :Er³⁺ /Yb³⁺ /Ag

Untuk lebih memahami mekanisme pembentukan serat mikro yang didoping Ag, analisis gravimetri termal (TGA, NETZSCH) dilakukan di bawah aliran udara kering dari suhu 293–393 K. Hal ini diamati pada Gambar. 5b bahwa microfiber menunjukkan kira-kira dua langkah degradasi. Penurunan berat pertama di bawah 333 K dapat dikaitkan dengan hilangnya kelembaban yang diserap/dengan penguapan pelarut yang terperangkap (H₂ O atau CHCl₃ ) yang tidak tergantung pada komposisi sampel. Pada grafik penurunan berat kedua terjadi dari 333 K menjadi 393 K yang secara jelas menggambarkan proses degradasi polimer. Oleh karena itu, mikrofiber ko-doping Ag adalah serat berbasis polimer yang tidak tahan dengan suhu di atas 332 K [4].

Untuk menyelidiki sifat optik individu dari serat mikro yang didoping Ag dan tidak didoping, sinar laser (980 nm) digunakan dari serat optik standar untuk mengekspos serat mikro pada sudut miring sehubungan dengan serat mikro di sepanjang sumbu. Gambar 6a menunjukkan mikrofiber ko-doping Ag (diameter ~ 6 μm) yang tereksitasi secara vertikal di bawah latar belakang gelap dengan 980 nm dan tampak bahwa cahaya menyebar di seluruh serat karena nanopartikel ko-doping Ag berfungsi sebagai pemancar cahaya. Sebaliknya, Gambar 6d menggambarkan tanpa mikrofiber ko-doping Ag (diameter ~ 6,5 μm) yang dieksitasi di bawah latar belakang gelap pada posisi teratas dengan sumber laser 980 nm. Ini menunjukkan bahwa cahaya tidak dapat mentransmisikan secara merata dalam serat karena penyerapan diri yang tinggi dan fenomena hamburan Rayleigh. Serat mikro (diameter ~ 6 μm) yang mengandung NP ko-doping Ag menunjukkan emisi cahaya hijau yang tinggi daripada Ag yang tidak didoping (diameter ~ 6,5 μm) yang memiliki eksitasi sumber laser yang sama di bawah medan gelap. Diamati bahwa titik-titik ujung terang tanpa kluster yang memiliki pandu gelombang optik bermaksud agar serat mikro yang didoping bersama Ag menyerap dekat cahaya IR dan melakukan hal yang sama menuju titik akhir. Selain itu, Gambar 6b dan c menunjukkan bahwa serat ko-doping Ag yang memiliki diameter berbeda (~ 15,55 dan ~ 9,15 μm) tereksitasi pada lima posisi berbeda dan menunjukkan emisi lampu hijau menuju titik akhir. Sebaliknya, sumber laser 980 nm diterapkan untuk menggairahkan serat mikro (tanpa Ag NPs) pada lima posisi berbeda yang memiliki diameter berbeda (~ 11,89 dan 14,57 μm) yang ditunjukkan pada Gambar. 6e-f, menunjukkan lebih sedikit emisi lampu hijau menuju titik akhir. Intensitas photoluminescence (PL) dari titik tereksitasi terhadap titik akhir dilakukan untuk menguraikan kinerja pemandu gelombang mikrofiber (dengan dan tanpa Ag NP) secara kuantitatif [39]. Kami menggunakan adobe photoshop untuk mengonversi gambar spot dari RGB ke gaya abu-abu, nilai abu-abu ini dievaluasi dengan menggunakan MATLAB untuk mengkarakterisasi intensitas yang sesuai. Setelah menormalkan titik akhir intensitas fotoluminesensi menuju titik tereksitasi, diperoleh kurva peluruhan yang bergantung pada jarak rambat cahaya.

Gambar fotoluminesensi dengan diameter serat mikro yang berbeda. a –c Pendaran mikrofiber Ag di bawah latar belakang gelap. d –f Eksitasi tanpa microfiber Ag di bawah latar belakang hitam

Rugi-rugi transmisi diukur dengan menggunakan persamaan [40]:

$$ \frac{I_{\mathrm{endpoint}}}{I_{\mathrm{O}}}=\exp \left(-\upalpha \mathrm{d}\right) $$ (1)

Di sini, Persamaan. (1) menunjukkan bahwa jarak titik tereksitasi meningkat yang menghasilkan penurunan intensitas fotoluminesensi secara eksponensial. Hubungan antara intensitas fotoluminesensi sebagai fungsi jarak pemandu serat (~ 15,55 dan ~ 9,15 μm) dengan NP Ag ditunjukkan pada Gambar 7a, b. Spektrum yang dipancarkan dikumpulkan pada lima posisi di sepanjang sumbu serat mikro yang menentukan transmisi sinar laser dengan koefisien kehilangan transmisi α = 108.94 cm⁻¹ dan 91,05 cm⁻¹ . Sebaliknya, Gambar 7c, d menunjukkan koefisien kehilangan transmisi serat mikro (tanpa Ag NP) yang memiliki diameter 11,89 dan 14,57 μm adalah sekitar 231,72 dan 274,84 cm⁻¹ , masing-masing. Patut dicatat bahwa ketika cahaya dipandu melalui serat mikro yang didoping bersama Ag, ia mempertahankan area mode kecil di sepanjang serat. Ini memungkinkan interaksi yang kuat antara cahaya dan nanopartikel Ag dalam kaskade dan mengarah ke transfer cahaya dengan efisiensi tinggi dibandingkan dengan serat mikro tanpa Ag. Nanopartikel ko-doped Ag memiliki konversi foton menjadi plasmon yang sangat efisien dalam serat mikro pemandu gelombang dan memfasilitasi interaksi materi cahaya yang ditingkatkan dalam area yang sangat terlokalisasi [41]. Ini mempercepat peluang untuk mengembangkan komponen dan perangkat fotonik berbasis Ag yang memiliki kekompakan tinggi, konsumsi daya optik rendah, dan ukuran yang diperkecil. Perlu dicatat bahwa eksitasi multifoton simultan telah diterapkan secara luas dalam mikroskop optik fluoresen untuk menunjukkan peningkatan resolusi dan penurunan autofluoresensi spesimen, serta peningkatan kedalaman pencitraan. Namun, penampang lintang serapan NIR yang rendah dari label multifoton memerlukan teknik ini untuk tunduk pada penggunaan laser pulsa-ultras daya puncak tinggi. Secara prinsip berbeda dari proses multifoton simultan dalam pewarna dan QD, yang melibatkan penggunaan tingkat energi virtual, konversi naik foton di UCNP bergantung pada penyerapan berurutan foton energi rendah melalui penggunaan tingkat energi seperti tangga dari ion doping lantanida. Perbedaan mekanika kuantum ini membuat urutan besarnya UCNP lebih efisien daripada proses multifoton, memungkinkan eksitasi dengan dioda laser gelombang kontinu berbiaya rendah pada penyinaran energi rendah, biasanya serendah 10⁻¹ W.cm⁻² [42]. Serat mikro (UCNPs/PMMA/Ag) memiliki sifat transmisi yang baik. Dengan demikian, serat mikro yang diusulkan (UCNPs/PMMA/Ag) memiliki keunggulan fabrikasi yang mudah, biaya rendah, plastisitas kuat, dan sifat optik unik UCNPs seperti pergeseran anti-stokes yang besar dan pita emisi yang melimpah, yang selanjutnya mendukung aplikasi mereka berdasarkan sinyal optik. transmisi, sensor, dan komponen optik. Akibatnya, perkiraan hasil pertunjukan pemandu gelombang kami menunjukkan kesesuaian yang baik dengan pekerjaan yang dilaporkan [43, 44].

a , b Garis pas antara intensitas fotoluminesensi (PL) dan jarak pemandu dari diameter serat mikro yang berbeda dengan co-doped Ag di bawah titik eksitasi yang berbeda. c –d Garis pas antara intensitas photoluminescence (PL) dan jarak pemandu dari diameter berbeda dari microfiber tanpa Ag co-doped di bawah titik eksitasi yang berbeda

Tingkat Energi dan Efek Termal

Untuk menguraikan diagram tingkat energi UCNPs (Yb³⁺ /Er³⁺ ), dua pita emisi hijau dominan di sekitar 522 dan 541 dan pita emisi merah yang berpusat pada ~ 660 nm diamati. Garis emisi yang diamati ini berasal dari ² H_11/2 → ⁴ Saya_15/2 , ⁴ S_3/2 → ⁴ F_9/2 , dan ⁴ S_3/2 → ⁴ Saya_15/2 dari Er³⁺ ion, masing-masing. Tingkat energi ² H_11/2 dan ⁴ S_3/2 diisi oleh dua proses foton. Untuk sistem populasi Yb³⁺ /Er³⁺ ion, Yb³⁺ ion tereksitasi oleh foton yang dipompa untuk mengisi tiga tingkat Er³⁺ berturut-turut ion yang ditunjukkan sebagai ⁴ Saya_11/2 , ⁴ F_9/2 , dan ² H_11/2 tingkat. Terlihat bahwa populasi ² H_11/2 diperoleh dari proses yang diberikan ⁴ Saya_15/2 → ⁴ Saya_11/2 (Eh³⁺ ):⁴ Saya_11/2 → ² H_11/2 (Eh³⁺ ) tingkat. Fenomena ini disebabkan oleh eksitasi suhu antara level yang digabungkan secara termal. Oleh karena itu, populasi ² H_11/2 dan ⁴ S_3/2 memenuhi statistik Boltzmann yang menghasilkan variasi tingkat populasi ² H_11/2 → ⁴ Saya_15/2 dan ⁴ S_3/2 → ⁴ Saya_15/2 tingkat [45]. Mekanisme proses up-conversion di Er³⁺ /Yb³⁺ diilustrasikan pada Gambar 8.

Diagram tingkat energi LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺

UCNPs co-doped Ag dalam serat menunjukkan spektrum dengan sumber laser 980 nm. Pendaran konversi naik (UC) cocok untuk aplikasi penginderaan suhu. Oleh karena itu, Gambar. 9a dan 10a menggambarkan spektrum emisi Ag dan tanpa NP ko-doping Ag yang berkisar antara 400 hingga 750 nm di bawah sumber eksitasi laser serat, dan spektrum dikumpulkan dengan kenaikan rata-rata 5 °C dalam rezim suhu (303–348 K) . Menariknya, dengan meningkatkan suhu, intensitas emisi berkurang secara signifikan, oleh karena itu menggunakan kekuatan laser 0,998 mW untuk menghindari efek termal, dengan jelas menunjukkan perilaku yang bergantung pada suhu. Sementara UCNPs-MF dipanaskan dalam domain suhu 348–303 K, semua fotoluminesensi dikembalikan ke posisi semula sedangkan intensitas menunjukkan pengurangan yang signifikan pada peningkatan suhu. Oleh karena itu, pengurangan intensitas yang signifikan ini dikaitkan dengan peningkatan variasi intensitas relatif yang sesuai dengan beberapa tingkat relaksasi multifonon ke tingkat relaksasi multifonon yang beragam. Intensitas luminescent meningkat secara signifikan dengan memasukkan Ag dalam microfiber di bawah kondisi eksperimental yang sama. Biasanya, energi panas dihasilkan oleh sinar laser di dekat area iradiasi yang suhunya diukur dengan menerapkan sensor termal, untuk memperkirakan suhu titik iradiasi dengan akurasi tinggi. Teknik rasio intensitas fluoresensi adalah teknik serbaguna yang banyak digunakan untuk estimasi suhu. Kami membahas Ag dan tanpa serat co-doped Ag pada fluktuasi suhu; populasi ² H_11/2 dan ⁴ S_3/2 mengikuti distribusi Boltzmann yang menghasilkan tingkat populasi variabel ² H_11/2 → ⁴ Saya_15/2 dan ⁴ S_3/2 → ⁴ Saya_15/2 . Penginderaan suhu dapat dihitung menggunakan rasio intensitas antara ² H_11/2 → ⁴ Saya_15/2 dan ⁴ S_3/2 → ⁴ Saya_15/2 transisi. Metode Fluorescence Intensity Ratio (FIR) dapat dinyatakan dari persamaan berikut [46]:

$$ \mathrm{FIR}=\frac{I_{522\mathrm{nm}\kern0.75em }}{I_{541\mathrm{nm}}}=C\exp \left(-\frac{\Delta E }{kT}\ \kanan) $$ (2)

a Spektrum emisi konversi naik 3D dari serat mikro yang didoping bersama Ag di bawah sumber eksitasi 980 nm. b Kurva yang dipasang antara rasio intensitas fluoresensi dan suhu. c Data yang dipasang di antara sensitivitas (K⁻¹ ) dan suhu (K) serat mikro yang didoping bersama Ag

a Spektrum emisi konversi naik 3D tanpa Ag di bawah sumber eksitasi 980 nm. b Kurva yang dipasang antara rasio intensitas fluoresensi dan suhu tanpa Ag. c Data yang dipasang di antara sensitivitas (K⁻¹ ) dan suhu (K) tanpa Ag

Ini, Aku _522nm dan Aku _541nm adalah intensitas relatif, C adalah konstanta proporsionalitas, E adalah celah energi antara 522 dan 540 nm, T adalah suhu mutlak, dan k adalah konstanta Boltzmann. Selain itu, Gambar. 9b dan 10b menampilkan variasi FIR dengan suhu; persamaan (2) menentukan bahwa data eksperimen yang diamati memiliki hubungan linier fitting yang baik. Penting untuk menyelidiki parameter kunci lainnya yaitu mekanisme penginderaan termal Ag- dan tanpa mikrofiber yang didoping Ag. Oleh karena itu, sensitivitas (S ) dapat ditulis sebagai berikut [47]:

$$ {S}_{\mathrm{a}}=\frac{\mathrm{FIR}}{\mathrm{dT}}=\mathrm{FIR}\left(\frac{\Delta E}{kT^2 }\kanan) $$ (3)

Di sini, S _a adalah sensitivitas mutlak Ag dan tanpa mikrofiber Ag yang dikotori bersama. Kurva yang dipamerkan pada Gambar. 9c dan 10c, tetapi nilai digital (FIR, ΔE , dan k ) untuk Ag dan tanpa Ag diperoleh dengan kurva pas yang disajikan pada Gambar. 9b dan 10b. Sensitivitas sensor maksimum untuk LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ dan LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ /Ag terbukti 0,0065 dan 0,0095 K^°1 pada 303 K, masing-masing. Sensitivitas sensor suhu optik dalam bahan inang yang berbeda tercantum dalam Tabel 1. Meskipun sensitivitas lain memiliki nilai yang lebih tinggi dibandingkan dengan tanpa Ag UCNPs, LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ /Ag lebih unggul dari materi host.

Ini mungkin terkait dengan sensitivitas tertinggi di antara bahan inang lainnya, seperti yang ditampilkan pada Tabel 1. Selanjutnya, kami mengamati bahwa sensitivitas LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ /Ag pada 303 K juga lebih tinggi dari LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ dimanifestasikan ke foton yang sangat efisien untuk konversi plasmon nanopartikel Ag dalam serat mikro. Microfibers co-doped Ag secara intrinsik kebal terhadap photobleaching yang memberikan dopan stabilitas tinggi untuk penginderaan optik. Ini menunjukkan bahwa serat ko-doping Ag karena sifat penginderaan yang signifikan cocok untuk pengenalan suhu. Akibatnya, pemanfaatan nanopartikel Ag dalam serat mikro bermanfaat untuk meningkatkan pendaran dan menyesuaikan sifat penginderaan termal, menunjukkan sensor suhu sensitif yang menjanjikan.

Kesimpulan

Singkatnya, tetrogonal-LiYF₄ :Yb³⁺ /Er³⁺ disiapkan melalui metode dekomposisi termal dan serat dibuat setelah co-doping larutan PMMA dengan Ag dan UCNPs. Penggabungan Ag yang berhasil di UCNP didukung melalui analisis SEM, TEM, EDS, XPS, FTIR, dan TGA. Mikrofiber polimer ko-doping Ag dengan pendekatan eksitasi pemandu gelombang dan menunjukkan potensi penggunaan dalam sensor termal diselidiki. Sensitivitas suhu yang bergantung pada intensitas dari mikrofiber Ag (0,0095 K^°1 ) lebih tinggi dari Ag yang tidak didoping (0,0065 K^°1 ) pada 303 K, mengusulkan serat mikro yang didoping Ag adalah kandidat potensial untuk meningkatkan sensitivitas suhu berbasis intensitas pada suhu kamar, yang membuka peluang baru untuk mengembangkan perangkat fotonik dan plasmonik kompak dengan daya optik rendah. Dalam pengembangan metode serat mikro yang baru digunakan dengan sifat tertentu, peningkatan signifikan dalam peningkatan konversi mungkin dimungkinkan, yang mengarah ke konverter atas yang lebih efisien, sehingga memungkinkan banyak aplikasi teknologi bahan ini.