Sensitized photon avalanche nanothermometry in Pr3+ and Yb3+ co-doped NaYF4 colloidal nanoparticles

Анотація

Фотонна лавина (ФЛ) — це надзвичайно нелінійне явище люмінесценції, яке виникає в матеріалах, легованих лантаноїдами. ФЛ демонструє дуже круту степеневу залежність між інтенсивністю люмінесценції та потужністю оптичної накачки. Завдяки механізму випромінювання ФЛ навіть слабкі збурення енергетичного циклу та розподілу енергії в межах збуджених рівнів лантаноїдних випромінювачів, як очікується, можуть суттєво змінити люмінесцентні властивості. Експериментально досліджено вплив температури (від –175 до 175 °C, з кроком 25 °C) на випромінювання сенсибілізованої ФЛ у наночастинках NaYF₄, легованих 15% Yb³⁺ та 0,5% Pr³⁺, при довжині хвилі накачування 852 нм. Значні зміни нелінійності ФЛ (S = 4,5–9), коефіцієнта підсилення ФЛ (від 50 до 175) та порогу ФЛ (від 100 до 700 кВт/см2) спостерігалися при підвищенні температури від –175 до 175 °С відповідно. Відносна температурна чутливість, яка заснована на змінах інтенсивності люмінесценції, була більшою за 1,5% °C^–1 у всьому діапазоні температур, досягаючи максимального значення 7,5% °C^–1 при 0 °C. Крім того, запропоновано новий термометричний параметр, а саме: поріг потужності накачування ФЛ, який демонстрував відносну чутливість понад 0,5% °С^–1 у тому ж широкому діапазоні температур. Завдяки властивостям ФЛ діапазон температурної чутливості та відповідна відносна чутливість можуть бути цілеспрямовано налаштовані шляхом вибору відповідної інтенсивності накачки з урахуванням залежності від потужності. Проведені дослідження не тільки забезпечують краще розуміння фундаментальних процесів чутливості сенсибілізованої фотонної лавинної емісії до зміни температури, але також показують можливість використання ФЛ матеріалів як чутливих (нано)термометрів. Ключові слова: матеріали, що доповані лантаноїдами, нанокристали, люмінесценція, лавинне випромінювання фотонів.