JINR Finance Committee A. Sissakian Ап-конверсионная люминесценция в наностеклокерамике. Г.М. Арзуманян Центр коллективного пользования (ЦКП) «НаноБиоФотоника», ОИЯИ Объединенный институт ядерных исследований 1

Ап-конверсионная люминесценция (АКЛ) Примером АКЛ является преобразование инфракрасного излучения в видимый свет. 2 Обычная люминесценция Ап-конверсионная люминесценция Ап-конверсия – процесс конвертирования нескольких фотонов с более низкой энергией (большой длины волны) в один фотон с более высокой энергией (короткой длины волны).

3 Ап-конверсионная люминесценция в различных материалах Для эффективной АКЛ необходимы матрицы и допанты с определенными физико-химическими свойствами: Матрицы, отвечающие требованиям: низкая энергия фононов: определяет скорость безрадиационных переходов в среде. химическая стойкость механическая прочность термическая стабильность В качестве матриц чаще всего используют фториды, оксиды, галлиды и др.

4 Ап-конверсионная люминесценция в различных материалах Для эффективной АКЛ необходимы матрицы и допанты с определенными физико-химическими свойствами: Допанты должны быть: с четко определенными энергетическими уровнями: ионы лантанидов (РЗЭ) – лучший выбор. с богатыми люминесцентно активными переходами в широком спектральном диапазоне. с двумя или более метастабильными состояниями.

5 Ап-конверсионная люминесценция в различных материалах Матрицы могут быть допированы ионами либо одного РЗЭ, либо двумя и более.

6 Наши исследования и первые результаты.

Общий вид оптической платформы – «КАРС» микроскопа 7 Платформа инсталлирована на виброустойчивой рабочей станции STANDA -1VIS95W

Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS) Нелинейная лазерная микроскопия и спектроскопия Кoгерентное Aнти-Стоксово Рaссеяние Света (КАРС) 8

9

Raman Многомодальная оптическая платформа ОИЯИ CARS CCD: Raman and E-CARS (spectra and image) PMT: F-CARS: signal and mapping Up-conversion luminescence Transmitted and reflected channels SFG 10

Образцы Стеклянные матрицы, в состав которых в качестве допандов вводились редкоземельные ионы Er 3+ и Yb 3+, были синтезированы на основе трех оксифторидных стеклообразующих легкоплавких систем: SiO 2 – PbO – PbF 2 – Er 2 O 3, SiO 2 – GeO 2 – PbО – PbF 2 – Er 2 O 3, GeO 2 – PbО –PbF 2 – Er 2 O 3, и тугоплавкой системы: SiO 2 –Al 2 O 3 – Y 2 O 3 – Na 2 O – NaF – LiF – Er 2 O 3 –YbF % Er % Yb 3+ Внешний вид образцов 1.0% Er 3+

Данные РФА и МУРН (малоугловое рассеяние нейтронов). Результаты РФА показали формирование нанокристаллической фазы фторида свинца PbF 2. Средний диаметр нанокристаллов: 9-10 нм. Дифрактограмма термообработанного стекла, (дифрактометр D8 Advance, Bruker) Для моделирования формы образовавшейся структуры были использованы кривые МУРН для термообработанных образцов, где в качестве фона использовались их соответствующие исходные образцы. 12 Кривые МУРН для образцов (1) и (2). Красная линия соответствует термообработанному образцу, а черная линия – исходному.

Структурные особенности исследуемых образцов наностеклокерамик Результат моделирования в образце (1-слево) и (2-справо). а,б, в – виды спереди, сбоку и сверху. Полученные в результате моделирования размеры и форма образовавшихся структур указывают на доменную организацию нанокристаллов (100x300A), наблюдаемых с помощью РФА. 13 Для моделирования формы образовавшейся структуры (программа ATSAS) были использованы кривые МУРН для термообработанных образцов.

Спектры ап-конверсионной люминесценции Спектры АКЛ трех образцов до термообработки в диапазоне (500 – 850) нм 14 Возбуждение лазерным излучением на длине волны 980 нм и мощностью 12 мВт Излучение АКЛ происходит в виде двух зеленых спектральных полос с максимумами на 522 нм и 544 нм, одной красной полосы с пиком на 654 нм, а также в ближней ИК области с максимумом пика на 802 нм. Энергетическая диаграмма ионов Er 3+

15 Спектры ап-конверсионной люминесценции Возбуждение лазерным излучением на длине волны 980 нм и мощностью 12 мВт Спектр АКЛ четвертого образца в диапазоне (500 – 1200) нм Энергетическая диаграмма Со-допированных ионов Er 3+ /Yb 3+

16 Спектры ап-конверсионной люминесценции Спектры АКЛ 2-х образцов до и после (красный цвет) термообработки (t=350 0 C) Интенсивность АКЛ в термообработанных образцах заметно возрастает: приблизительно в 3-4 раза в красной полосе для образца (1) и свыше 20 раз в красной и ближней ИК полосах для образца (2). Рост интенсивности АКЛ связан с формированием в стеклянной матрице нанокристаллической фазы (стеклокерамики) фторида свинца PbF 2.

17 Некоторые применения ап-конверсионной люминесценции.

18 Ап-конверсия для создания коротковолновых (сине-зеленых) лазеров. Энергетические уровни Tm 3+ АКЛ спектр Tm нм Разработаны ап-конверсионные схемы возбуждения эффективной многополосной люминесценции видимого и УФ диапазонов спектра при использовании в качестве источников накачки серийных лазерных диодов.

19 Ап-конверсия для солнечной батареи. Схема нанесенной пленки АК преобразователя в ячейке кремниевых солнечных батарей. Ап-конверсионные слои увеличивают эффективность солнечной батареи до 44%.

20 Спектр поглощения биоткани Окно оптической прозрачности Ап-конверсия в биомедицине: биовизуализация. Регистрация сигнала в более коротковолновой (по сравнению с длиной волны возбуждения) части спектра позволяет исключить вклад тканевой аутофлуоресценции и тем самым повысить чувствительность метода. Биомаркеры на основе наноразмерных апконвертирующих фосфоров (НАФ). АКЛ наночастицы – перспективная альтернатива традиционным органическим красителям. Визуализация кровеносных сосудов мыши (ухо): а) с использованием синего фильтра б) АК-визуализация при возбуждении лазером 980 нм в) флуросцентная визуализация красителем на 737 нм с) наложение картинок «б» и «в» ( ссылка: Royal Society of Chemistry, Спектр АКЛ NaYF 4 : Yb 3+, Tm 3+, Er 3+

Спасибо за внимание!