Mikroserat Polimer Terbenam Perak untuk Pendeteksi Optik Up-Conversion yang Ditingkatkan
Abstrak
Kami melaporkan rute pembuatan yang mudah untuk mikroserat polimer yang menggabungkan nanopartikel up-conversion (UCNP) yang didop dengan perak (Ag). Mikroserat LiYF₄:Yb³⁺/Er³⁺/Ag yang dihasilkan menunjukkan kerugian transmisi α = 108,94 cm⁻¹ dan sensitivitas suhu 0,0095 K⁻¹ pada 303 K, yang lebih unggul dibandingkan sejenisnya tanpa Ag (0,0065 K⁻¹). Performa yang ditingkatkan berasal dari konversi foton-ke-plasmon yang efisien dalam inklusi nano Ag, yang memperkuat luminesensi up-conversion dan meningkatkan penggelombangan. Platform ini menawarkan rute hemat biaya dan dapat diskalakan untuk sensor suhu optik berkinising tinggi dan komponen fotonik.
Latar Belakang
Nanopartikel up-conversion (UCNP) yang didop ion lantanida semakin banyak dieksploitasi dalam citra biomedis, laser, layar, dan fotovoltaik karena pergeseran anti-Stokes yang besar, stabilitas kimia, dan resistensi terhadap pemblekalan foto. Namun, penyerang melintang lemah dari ion lantanida membatasi hasil fluoresensi. Penanaman struktur logam, terutama perak, ke dalam UCNP atau matriks polimer telah terbukti meningkatkan medan elektromagnetik lokal, sehingga meningkatkan efisiensi up-conversion. Meskipun UCNP yang didop Ag telah dipelajari dalam bentuk massa atau tipis, integrasinya ke dalam mikroserat—bangun kunci untuk fotonik on-chip—belum terjelajahi.
Eksperimen dan Metode
Bahan
Bubuk perak kelas analitis, kloroform, sikloseksen, NaOH, NH₄F, dan etanol diperoleh dari Shanghai Chemical Company dan digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut.
Persiapan Nanopartikel LiYF₄:Yb³⁺/Er³⁺
UCNP disintesis melalui dekomposisi termal. Flas kerongkok 100 mL mengandung garam LnCl₃ (Lu:Yb:Er = 78:22:1) dalam 15 mL 1-oktadesena dan 6 mL asam oleik, dipanaskan ke 150 °C untuk membersihkan larutan. Setelah dega, 4 mmol NH₄F dan 2,5 mmol NaOH ditambahkan ke 10 mL metanol, diaduk selama 30 menit, kemudian larutan dipanaskan ke 300 °C (50 °C min⁻¹) di bawah Ar selama 1 jam. Nanopartikel diusap (4000 rpm), dicuci dengan etanol, dan dikeringkan pada 60 °C selama 12 jam.
Pembuatan Serat Ag-Co-Doped
0,003 g Ag, 0,005 g UCNP, dan 0,6 g PMMA dicampur secara terpisah dalam 15 mL, 12 mL, dan 18 mL sikloseksen atau kloroform. Larutan PMMA ditambahkan secara bertahap ke larutan Ag dan UCNP dan diaduk selama 30 menit hingga transparan. Teknik tarik yang dipanaskan nyala api digunakan untuk menarik mikroserat dari larutan campuran, yang kemudian dipotong menjadi segmen (Gambar 1).
Proses pembuatan mikroserat co-doped Ag: (a) penarikan; (b) pemotongan.
Pengukuran Spektra
Gambar 2 mengilustrasikan pengaturan eksperimen. Mikroserat diekskitasi dengan laser CW 980 nm (0,998 mW) dan ditempatkan pada substrat kaca. Objektif ×20 (NA = 0,4) mengumpulkan cahaya yang ditransmisikan, sementara kamera CCD merekam spektrum emisi. Pengukuran bergantung suhu dilakukan dengan spektrometer Ocean Optics.
Pengaturan eksperimen untuk penggelombangan.
Hasil dan Pembahasan
Struktur dan Properti Transmisi
Pola XRD mengonfirmasi fase LiYF₄ tetragonal murni (JCPDS #17-0874). Gambar SEM (Fig. 3b) menunjukkan serat yang halus, dengan diameter seragam (~6 µm). TEM dan EDS (Fig. 3c-d) memverifikasi dispersi Ag yang homogen dalam matriks polimer. Spektra XPS (Fig. 4) mengonfirmasi kehadiran Li, Y, F, Yb, Er, dan Ag, dengan energi ikatan Ag 3d pada 359,08 eV, yang menunjukkan tri-doping yang berhasil.
Karakterisasi mikroserat LiYF₄:Yb³⁺/Er³⁺ dan Ag-co-doped.
FTIR (Fig. 5a) menunjukkan getaran C–H, C=O, dan Ag–O yang khas, mengonfirmasi penyerapan polimer dan Ag. TGA (Fig. 5b) mengungkap dua tahap degradasi: kehilangan kelembaban di bawah 333 K dan dekomposisi polimer antara 333–393 K, yang menunjukkan stabilitas termal hingga ~332 K.
FTIR dan TGA mikroserat Ag-co-doped.
Citra fotoluminesensi (Fig. 6) menunjukkan bahwa serat Ag-co-doped mentransmisikan emisi hijau secara efisien sepanjang seluruh panjang, sedangkan serat tanpa Ag menunjukkan serapan diri yang lebih kuat dan pencaran Rayleigh. Analisis kuantitatif intensitas versus jarak penggelombangan (Fig. 7) menghasilkan koefisien kerugian 108,94 cm⁻¹ (Ag) dan 231,72–274,84 cm⁻¹ (tanpa Ag). Kerugian yang dikurangi pada serat yang didop Ag dikaitkan dengan kopling foton-ke-plasmon yang ditingkatkan dan pembatasan mode yang lebih ketat.
Kerugian transmisi versus jarak penggelombangan untuk mikroserat Ag-co-doped dan tanpa Ag.
Tingkat Energi dan Efek Termal
Spektrum up-conversion menunjukkan pita hijau pada 522 nm (2H₁₁/₂→4I₁₅/₂) dan 541 nm (4S₃/₂→4I₁₅/₂) serta pita merah pada ~660 nm (4S₃/₂→4F₉/₂). Emisi ini timbul dari transfer energi berurunan antara ion pompa Yb³⁺ dan aktivator Er³⁺.
Pengukuran bergantung suhu (Fig. 9) menunjukkan bahwa rasio intensitas fluoresensi (FIR) antara dua pita hijau mengikuti hubungan eksponensial (Eq. 2) dengan garis lurus dari logaritma alami versus 1/T. Sensitivitas absolut (Eq. 3) mencapai 0,0095 K⁻¹ pada 303 K untuk serat Ag-co-doped, melebihi 0,0065 K⁻¹ dari serat tanpa Ag. Peningkatan ini mengonfirmasi bahwa nanopartikel Ag secara signifikan meningkatkan performa termometrik mikroserat UCNP.
Spektrum up-conversion 3D (Ag) dan FIR versus suhu.
Spektrum up-conversion 3D (tanpa Ag) dan FIR versus suhu.
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan metode hemat biaya dan dapat diskalakan untuk menghasilkan mikroserat polimer terbenam perak yang dimuat dengan UCNP LiYF₄:Yb³⁺/Er³⁺. Analisis struktural, optik, dan termal yang komprehensif mengonfirmasi bahwa inklusi nano Ag meningkatkan penggelombangan, mengurangi kerugian transmisi, dan meningkatkan intensitas up-conversion, yang mengakibatkan peningkatan sensitivitas suhu sebesar 45 % pada suhu ruangan. Temuan ini membuka jalan ke sensor optik dan perangkat fotonik yang kompak dan berkinising tinggi yang memanfaatkan up-conversion yang ditingkatkan plasmonik.
