約19nmのSc2O3の水熱合成とアップコンバージョン特性：エネルギー伝達メカニズムの詳細な調査によるEr3 +、Yb3 +ナノ粒子

要約

Sc ₂ O ₃ ：Er ³⁺ 、Yb ³⁺ サイズが約19nmのナノ粒子（NP）は、単純なオレイン酸を介した熱水（HT）プロセスによって合成されました。 X線回折（XRD）、透過型電子顕微鏡（TEM）、アップコンバージョン発光（UCL）スペクトル、および減衰曲線を使用して、得られたサンプルの特性を調べました。 Sc ₂ O ₃ ：Er ³⁺ 、Yb ³⁺ HT法で作成されたNPは、同じ最適化されたランタニドイオン濃度でソルボサーマル（ST）法で作成されたサンプルと比較して、より強いUCLを示します。 UCLの強化は、表面グループの減少と寿命の延長に起因する可能性があります。 980 nmの波長励起下では、Er ³⁺ の減衰曲線：（² H _11/2 、⁴ S _3/2 ）→⁴ I _15/2 および⁴ F _9/2 →⁴ I _15/2 Sc ₂の排出量 O ₃ ：Er ³⁺ 、Yb ³⁺ Er ³⁺ からの相互緩和エネルギー移動の結果として、NPサンプルは両方とも互いに近接しています。 Yb ³⁺ へ、同じEr ³⁺ 内でのエネルギー逆伝達が続きます -Yb ³⁺ ペア。また、比較的低い電力密度では、log（ I の線形プロットの傾き）対log（ P ）赤と緑の放出は2.5と2.1であり、3光子プロセスの存在を意味します。私たちの結果は、Sc ₂ O ₃ ：Er ³⁺ 、Yb ³⁺ NPは、生物学分野で小さなサイズの強力なUCLを達成するための優れた材料です。

はじめに

赤外線から可視へのアップコンバージョン発光（UCL）は、その基本的な価値[1,2,3]と、アップコンバージョンレーザー、バイオイメージング、赤外線イメージング、太陽電池などでのさまざまな潜在的用途について広く研究されてきました[4,5,6,7 、8]。 Er ³⁺ の同時ドーピング高濃度の増感剤Yb ³⁺ 最も魅力的なエネルギー伝達（ET）アップコンバージョンシステムを形成します[1]。増感剤Yb ³⁺ の980nm赤外線励起下、このシステムは、（² H _11/2 、⁴ S _3/2 ）→⁴ I _15/2 および⁴ F _9/2 →⁴ I _15/2 Er ³⁺ の遷移、それぞれ[9]。適切なホスト材料の選択は、高いUC効率や制御可能な発光プロファイルなどの好ましい光学特性を備えたランタニドドープナノ結晶（NC）の合成に不可欠です。実際のアプリケーションでは、励起密度が低く、より効率的で安定性の高いUC材料の開発が必要です[10、11]。酸化物材料は通常、化学的、機械的、および熱的に非常に安定しているため、UCアプリケーションの有望なホストになる可能性があります[3、12、13、14、15、16]。立方晶三二酸化物材料（Y ₂など） O ₃ 、Lu ₂ O ₃ 、Sc ₂ O ₃ など）特定の構造特性と物理的特性を表示します。たとえば、Y ₂ O ₃ は、典型的な酸化物ホストとして優れたUCLを示しています[3、17]。 Sc ₂ O ₃ 格子定数が最小です。 Sc ₂の短いSc–Sc結合長 O ₃ Yb ³⁺ 内で短い距離を生成できます -Er ³⁺ ペア、Yb ³⁺ を高速化 →Er ³⁺ エネルギー伝達。前の作品では、Sc ₂ O ₃ ：Er ³⁺ 、Yb ³⁺ ナノ構造は、二相ソルボサーマル（ST）法を使用して得られました[17]。このサンプルの赤いUCLは、ソリッドステート（SS）反応を使用して合成されたバルクサンプルと比較して強化されています。ナノ構造の平均結晶サイズは約200nmに減少しました。これは、蛍光イメージングへの応用に有利です。

共沈、ソルボサーマル合成（ST）、水熱法（HT）、ゾルゲル処理、熱分解などを含むさまざまな化学技術が、ランタニドをドープしたUC NCを合成することが実証されています[14、18、19、20 、21、22]。合成手順の最適化は、調整された結晶サイズ、形態、表面機能化、および光学特性を備えたNCを取得するために重要です。 HTアプローチは、その利便性、汚染の免除、および比較的低温で満足のいく結晶化度を達成できる可能性があるため、優れた選択肢です[23]。趙らUC NaYF ₄の合成にオレイン酸を介したHT法を利用ナノロッド、ナノチューブ、および花模様のナノディスク[20]。 Chen etal。準備されたFe ³⁺ 共ドープされたNaYF ₄ ：キャッピングリガンドおよび表面修飾剤としてオレイン酸を使用するHT法によるEr、Yb UCNC [24]。この作品では、Sc ₂ O ₃ ：Er ³⁺ 、Yb ³⁺ 平均直径19nmのナノ粒子（NP）は、最初に単純なオレイン酸を介したHT法によって合成されました。このSc ₂でより強力なUCLが見つかりました O ₃ ：Er ³⁺ 、Yb ³⁺ 同じ最適化された濃度Sc ₂のサンプルと比較して、赤いUCLが4倍に強化されたNPサンプル O ₃ ST法によるサンプル。 UCLの強化は、表面グループの減少と寿命の延長に起因する可能性があります。さらに、HT-Sc ₂のUCLプロパティとメカニズム O ₃ ：Er ³⁺ 、Yb ³⁺ NPは、スペクトル分布、電力依存性、および寿命測定によって調査されました。

実験的

サンプル準備

Sc ₂ O ₃ ：Er ³⁺ 、Yb ³⁺ サンプルは、エタノールスキームで関連するミネラル塩の加水分解を介してHT法によって準備されました。 Sc ₂の高純度原料 O ₃ 、Er ₂ O ₃ 、およびYb ₂ O ₃ パワーは希薄なHNO ₃に溶解しましたそれぞれカチオン性硝酸塩溶液を得るための脱イオン水。 Sc（NO ₃ ）₃ 、Er（NO ₃ ）₃ 、およびYb（NO ₃ ）₃ 対応するモル比の溶液を無水エタノール（20ml）に溶解し、撹拌して均一な溶液を形成した。次に、水酸化ナトリウム水溶液（２ｍｌ）を、３０分間撹拌しながら上記の混合物に滴下して加え、続いてオレイン酸（１ｍｌ）を加え、次いで１から２時間激しく撹拌した。得られた懸濁液を、容量50 mlのテフロンで裏打ちされたステンレス鋼のオートクレーブに入れ、180°Cで24時間加熱しました。オートクレーブを室温まで冷却した後、自然に沈殿物を遠心分離し、脱イオン水と無水エタノールでそれぞれ数回洗浄しました。粉末は、80°Cで15時間真空オーブンで乾燥し、700°Cで2時間アニーリングした後に得られました。比較のために、Sc ₂を用意しました O ₃ 同じ焼結温度700°Cで2時間ST法で調製したサンプル[17]。

測定と特性評価

粉末X線回折（XRD）データは、X線粉末回折計（Rigaku D / Max IIA）でCu-Kα放射線（λ=1.54056Å）を使用して収集されました。透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像は、２００ｋＶの加速電圧で動作する透過型電子顕微鏡（ＪＥＭ－２０００ＥＸ）を使用することによって得られた。 UCLスペクトルは分光光度計（Hitachi F-7000）で記録され、赤外線スペクトルは、室温で電力制御可能な980 nmダイオードレーザーで励起されたTriax550分光計（Jobin-Yvon）を使用して実行されました。透過モードの赤外線スペクトルは、プレスされたKBrタブレットを使用して、Thermofisher Nicolet IS50FT-IR分光計で測定されました。蛍光寿命測定では、光パラメトリック発振器（OPO）を励起源として980 nmに調整し、信号をTektronixデジタルオシロスコープ（TDS 3052）で検出しました。

結果と考察

Sc ₂の公称組成を使用したHT法によるサンプルのXRDパターンによって特徴付けられる構造を図1aに示します。 O ₃ ：1％Er ³⁺ 、y％Yb ³⁺ （ x =0、5、10、15）。純相Sc ₂ O ₃ JCPDSカード84-1884に準拠して合成されました。ホスト格子は、\（Ia \ overline {3} \）（T ^h を持つ鉱物ビクスビアイト構造を示します ₂ ）対称性[25]。この構造では、Sc ³⁺ 有効イオン半径（0.745Å）の6倍です。 Yb ³⁺ 大きなイオン半径（0.868Å）を所有するイオンは、Sc ³⁺ を占めます。格子セルの体積を拡大するサイト。XRDピークはYb ³⁺ のように小さい角度にシフトします。図1bの拡大パターンに示すように、濃度は増加します。形態とサイズ分布をさらに明らかにするために、準備されたままのSc ₂ O ₃ サンプルはTEMによって特徴づけられました。図2aは、HT-Sc ₂のTEM画像を示しています。 O ₃ ：1％Er ³⁺ 、5％Yb ³⁺ 。比較的均一なサイズと良好な単分散性を備えた球形のNPが得られました。図2bは、サイズ分布のヒストグラムを示しています。これらのデータは、300を超えるNPのTEM画像から取得されました。 NPの平均直径は約19nmであると決定されました。

図3は、Sc ₂のUCLスペクトルを示しています。 O ₃ ：1％Er ³⁺ 、10％Yb ³⁺ （a）およびSc ₂ O ₃ ：1％Er ³⁺ 、5％Yb ³⁺ （b）出力電力密度3 mW mm ^-2 で980nm励起下でHTおよびST法によって調製されたサンプル。〜550および660 nmを中心とする強い発光バンドは、4 f に起因します。 -4 f Er ³⁺ の電子遷移：（² H _11/2 、⁴ S _3/2 ）→⁴ I _15/2 および⁴ F _9/2 →⁴ I _15/2 それぞれ遷移。挿入図は、対応するサンプルのデジタル写真を示しています。これは、UCLがSTサンプルと比較してHTサンプルで劇的に強化されていることを示しています。 HT-Sc ₂の場合 O ₃ サンプルでは、対応するST-Sc ₂と比較して、計算された赤いUCLの増強係数は約4です。 O ₃ サンプル。サンプルのサイズはUCL強度に影響を与えることが知られており、サイズの減少とともに減少しました。ただし、HT-Sc ₂の場合 O ₃ サンプル、それはより小さなサイズとより集中的なUCLを所有しています。 HT-Sc ₂を示します O ₃ サンプルは、生物学分野向けの小さなサイズの強力なUCLを所有する優れた材料です。

HT-Sc ₂のFTIRスペクトル O ₃ ：1％Er ³⁺ 、5％/ 10％Yb ³⁺ およびST-Sc ₂ O ₃ ：1％Er ³⁺ 、5％Yb ³⁺ / 10％Yb ³⁺ サンプルを図4に示します。3429cm^{− 1} 付近の広帯域これは、オレイン酸（OA）と水中の–OHの伸縮振動に起因します[26、27]。 2925および2850cm ^{− 1} 吸収帯は、メチレンの非対称および対称伸縮振動に割り当てられます（CH ₂ ）OA分子の長いアルキル鎖。バンドの鋭さは、炭化水素鎖が秩序だっていることを示しています。反対称メチルストレッチ（CH ₃ ）2975 cm ^-1 のピークの肩として見られます。 1200〜1750 cm ^-1 のバンドオレイン酸分子とCO ₂のC =Oの振動に割り当てることができます空中で[28]。炭酸塩への変態は、熱処理中に微結晶の表面で起こった可能性があります。これらの結果は、サンプルの表面にキャッピングリガンドが存在することを示しています。図4は、ST-Sc ₂の–OH振動の吸収強度を示しています。 O ₃ サンプルはより強力です。 HT / ST-Sc ₂の表面グループの強度 O ₃ ：1％Er ³⁺ 、10％Yb ³⁺ サンプルは両方とも、共ドープされた5％Yb ³⁺ のサンプルよりも強力です。サンプル。利用可能な大きな振動量子を持つ豊富な表面グループは、MPRプロセスを効率的に強化し、発光の低下を引き起こす可能性があります。

Er ³⁺ の人口メカニズムを正確に説明するために / Yb ³⁺ 共ドープされたHT-Sc ₂ O ₃ サンプル、Er ³⁺ へのスペクトル分布の依存性 / Yb ³⁺ 濃度は詳細に研究されています。

HT-Sc ₂のUCLスペクトル O ₃ ：x％Er ³⁺ 、10％Yb ³⁺ （ x =0、0.5、1、2）980nm励起下での図5aを示します。固定Yb ³⁺ の場合濃度が10％の場合、Er ³⁺ で最も強いUCLが観察されます。約1％の濃度。 Er ³⁺ の場合濃度が1％を超えると、Er ³⁺ の交差緩和（CR）により、強度が低下し始めます。イオン[17]。 HT-Sc ₂のUCLスペクトル O ₃ ：1％Er ³⁺ 、y％Yb ³⁺ 、（ y =0、5、10、15）を図5bに示します。 Er ³⁺ の場合単一ドープSc ₂ O ₃ 、そのUC放出は非常に弱く、100倍に拡大されています。 Yb ³⁺ のETプロセス →Er ³⁺ UCLの強化に大きな役割を果たしています。最強のUCLはYb ³⁺ で観察されます最適なEr ³⁺ を固定した場合の濃度5％濃度1％。

同じ品種のサンプルの1000〜1700nmの範囲の近赤外発光スペクトルを図6に示します。Er^{3 +} / Yb ³⁺ 共ドープされたサンプル、980nmの光子がYb ³⁺ を励起します：² F _7/2 →² F _5/2 これは、1000〜1200nmで蛍光を発しEr ³⁺ を励起します。 ⁴ へのイオン I _11/2 非共鳴フォノン支援ETプロセスによるレベル[9]。 Er ³⁺ ⁴ のイオン I _11/2 レベルは非放射的に⁴ に減衰します I _13/2 レベル、次に基底状態に放射状に放射し、1550nm付近の光子を放出します[9]。図6aでは、Er ³⁺ として濃度が上がると、Yb ³⁺ 排出量は着実に減少しており、効率的なYb ³⁺ を示しています。 →Er ³⁺ ET。 Er ³⁺ Er ³⁺ の場合、排出量は徐々に増加します濃度は0から1％に増加し、Er ³⁺ の自己吸収の結果としてわずかに減少します。イオン。図6bでは、Er ³⁺ ：⁴ I _13/2 Yb ³⁺ の場合、放出は徐々に増加します濃度は0％から5％に増加しますが、その後減少し始めます。 Yb ³⁺ として濃度が上がる、Yb ³⁺ 980nmの光子吸収能力が向上します。 Yb ³⁺ 発光強度が増加することが示されています。一方、Yb-YbとYb-Erのペアの距離が短くなると、Yb ³⁺ 間のエネルギー移動が強化されます。イオンはYb ³⁺ からETを高速化します Er ³⁺ へ。それはEr ³⁺ の人口の増加につながります：⁴ I _13/2 レベルですが、Yb ³⁺ の1つが減少しました：² F _5/2 レベル。 Er ³⁺ の消光による Yb ³⁺ イオン、Er ³⁺ の放出：⁴ I _13/2 →⁴ I _15/2 最大値に達してからドロップダウンします。

Er ³⁺ のポンピングパワー依存性：（² H _11/2 、⁴ S _3/2 ）→⁴ I _15/2 およびEr ³⁺ ：⁴ F _9/2 →⁴ I _15/2 HT-Sc ₂の強度 O ₃ ：1％Er ³⁺ 、10％Yb ³⁺ 980 nmの励起下で測定され、図7に二重対数目盛でプロットされます。UCLプロセスの場合、UCL強度（ I _UCL ）ポンピングレーザーパワー（ P ）に依存します）方程式として： I _UCL ∝ Pn ここで n は、放出されたアップコンバートされた光子ごとに吸収されたポンピング光子の数です[29]。 n 値は、対数（ I ）間の線形プロットの傾きから取得できます。）およびログ（ P ）。 2段階のETプロセスの場合、 n 線形減衰とUCプロセス間の競合のため、値は理論的に2未満です。図7は、勾配 n を示しています。赤と緑の排出量の値は、低ポンプ出力密度でそれぞれ2.5と2.1です。これは、2段階のプロセスを除いて、HT-Sc ₂にも3光子のプロセスがあることを示しています。 O ₃ ：1％Er ³⁺ 、10％Yb ³⁺ NP [30、31]。

アップコンバージョンメカニズムを図8に示します。ETプロセスは次のとおりです。

ET①：Yb ³⁺ ：² F _5/2 + Er ³⁺ ：⁴ I _15/2 →yb ³⁺ ：² F _7/2 + Er ³⁺ ：⁴ I _11/2
- Er ³⁺ ：⁴ I _11/2 →Er ³⁺ ：⁴ I _13/2 （MPR）
ET②：Yb ³⁺ ：² F _5/2 + Er ³⁺ ：⁴ I _13/2 →yb ³⁺ ：² F _7/2 + Er ³⁺ ：⁴ F _9/2
ET③：Yb ³⁺ ：² F _5/2 + Er ³⁺ ：⁴ I _11/2 →yb ³⁺ ：² F _7/2 + Er ³⁺ ：⁴ F _7/2
- Er ³⁺ ：⁴ F _7/2 →Er ³⁺ ：（² H _11/2 、⁴ S _3/2 ）（MPR）
ET④：Yb ³⁺ ：² F _5/2 + Er ³⁺ ：⁴ F _9/2 →yb ³⁺ ：² F _7/2 + Er ³⁺ ：² H _9/2
- Er ³⁺ ：² H _9/2 →Er ³⁺ ：（² H _11/2 、⁴ S _3/2 ）（MPR）
- Er ³⁺ ：（² H _11/2 、⁴ S _3/2 ）→Er ³⁺ ：⁴ F _9/2 （MPR）
ET⑤：Yb ³⁺ ：² F _5/2 + Er ³⁺ ：（² H _11/2 、⁴ S _3/2 ）→Yb ³⁺ ：² F _7/2 + Er ³⁺ ：² G _7/2

上記のUCLの結果を検証して理論的に解釈するために、簡略化された定常状態の方程式を利用します。

$$ \ frac {dn_0} {dt} =0 $$（1）$$ \ frac {dn_1} {dt} ={n} _2 {W} _ {21}-{C} _2 {N} _1 {n } _1- \ frac {n_1} {\ tau_1} $$（2）$$ \ frac {dn_2} {dt} ={C} _1 {N} _1 {n} _0- {C} _3 {N} _1 { n} _2- {n} _2 {W} _ {21}-\ frac {n_2} {\ tau_2} $$（3）$$ \ frac {dn_3} {dt} ={C} _2 {N} _1 { n} _1- {C} _4 {N} _1 {n} _3- \ frac {n_3} {\ tau_3} $$（4）$$ \ frac {dn_4} {dt} ={C} _3 {N} _1 {n} _2- {C} _5 {N} _1 {n} _4- \ frac {n_4} {\ tau_4} $$（5）$$ \ frac {dN_1} {dt} =\ sigma {IN} _0- {C} _1 {N} _1 {n} _0- {C} _2 {N} _1 {n} _1- {C} _3 {N} _1 {n} _2- {C} _4 {N} _1 {n} _3- {C} _5 {N} _1 {n} _4- \ frac {N_1} {\ tau_ {Yb}} =0 $$（6）

ここでσ Yb ³⁺ の吸収断面積ですイオン、 I 入射ポンピングパワー、 N _i i の人口密度です Yb ³⁺ のレベル、 n _i i の人口密度です Er ³⁺ のレベルアップコンバージョンプロセスに関与するτ _i i の寿命です Er ³⁺ のレベルおよびτ _Yb ² の寿命です F _5/2 Yb ³⁺ のレベル、 C _i Yb ³⁺ のET係数を表します →Er ³⁺ 手順 i =1、2、3、4、5、および W ₂₁ Er ³⁺ の1〜2レベルの非放射率を表しますイオン。

2段階プロセスと比較して、NIRから可視への3光子プロセスのUC効率は低下します[32]。さらに、励起パワーが十分に高い場合、高光子プロセスが顕著になります。 Er ³⁺ の励起：⁴ F _9/2 ETからEr ³⁺ ：² H _9/2 私たちの実験ではポンプが弱いため、無視することができます。式によって。（4）、赤色発光強度（ I _赤）は次の方法で取得できます

$$ {I} _ {Red} ={\ gamma} _3 {n} _3 ={\ gamma} _3 {C} _2 {\ tau} _3 {I} _ {Yb} {I} _ {n_1} $$

Er ³⁺ のCRによる – Er ³⁺ 相互作用は考慮されません、寿命、τ ₃ 、は定数です。つまり、\（{\ mathrm {I}} _ {\ mathrm {Red}} \ propto {\ mathrm {I}} _ {\ mathrm {Yb}} {\ mathrm {I}} _ {{\ mathrm {n}} _ 1} \）、ここで I _Yb および私 _n1 Yb ³⁺ の発光強度を表します：² F _5/2 およびEr ³⁺ ：⁴ I _13/2 、それぞれ。 γ₃ は赤色発光の放射率です。計算された I _赤さまざまなEr ³⁺ での値 / Yb ³⁺ 濃度は図9に示され、最大にスケーリングされています。比較のために、 I _赤 UCL発光スペクトルから直接得られた値も示されています。計算された実験的な I _赤トレンドは互いに一貫しており、同じEr ³⁺ で最高の値を取得します / Yb ³⁺ 濃度、実験データの妥当性を示しています。

3光子の緑と赤のUCプロセスが同時に発生すると、対応する n が増加します。値。一方、 n 赤のUCプロセスの値は、緑のUCプロセスの値よりも効果的に増加します。図8では、Er ³⁺ のように、緑と赤のUCLにCRを入力できます。：⁴ G _11/2 + Er ³⁺ ：⁴ I _15/2 →Er ³⁺ ：（² H _11/2 、⁴ S _3/2 ）+ Er ³⁺ ：⁴ I _13/2 およびEr ³⁺ ：⁴ G _11/2 + Yb ³⁺ ：² F _7/2 →Er ³⁺ ：⁴ F _9/2 + Yb ³⁺ ：² F _5/2 、それぞれ[31]。 3光子の緑色のUCLは、2つのEr ³⁺ 間の相互緩和プロセスを介して行われます。イオン;ただし、3光子の赤色UCLの交差緩和は、Yb ³⁺ の間にあります。およびEr ³⁺ イオン。 Yb ³⁺ 以降濃度はEr ³⁺ よりはるかに高い私たちの実験では、3光子の赤色のUCプロセスは、3光子の緑色のUCプロセスよりも効果的であり、その結果、 n が急速に増加します。赤のUCLの値。さらに、3光子プロセスはすべて少ないため、 n 値は明らかに3から外れています。ポンプ出力密度が高い場合、UCプロセスが支配的になるため、2つの勾配が徐々に1に低下します[33]。

Er ³⁺ の減衰曲線：（² H _11/2 、⁴ S _3/2 ）→⁴ I _15/2 および⁴ F _9/2 →⁴ I _15/2 HT-Sc ₂の遷移 O ₃ およびST-Sc ₂ O ₃ 980 nmの励起波長でのサンプルが測定され、図10に示されています。赤と緑の放出の減衰時間は、対応する減衰曲線の下の面積を正規化された初期強度と積分することによって計算されます。図10a、bは、HT-Sc ₂の緑と赤の発光寿命を示しています。 O ₃ ：1％Er ³⁺ 、5％Yb ³⁺ ST-Sc ₂よりも長い O ₃ ：1％Er ³⁺ 、5％Yb ³⁺ 。寿命はレベルの人口に比例します。値が長いほど、HT-Sc ₂の赤と緑のUCLが強いことを示します。 O ₃ サンプル。以前のレポートでは、サンプルが文献よりも短い減衰寿命値を持っていることがわかりました。実際、Er ³⁺ の減衰時間：（² H _11/2 、⁴ S _3/2 ）→⁴ I _15/2 および⁴ F _9/2 →⁴ I _15/2 HT / ST-Sc ₂の排出量 O ₃ ：1％Er ³⁺ 、5％Yb ³⁺ サンプルは両方とも互いに近接しています。 Er ³⁺ の場合：⁴ F _9/2 レベルは、Er ³⁺ からのMPRプロセスによって入力されます：（² H _11/2 、⁴ S _3/2 ）レベル、Er ³⁺ の減衰時間：⁴ F _9/2 レベルはEr ³⁺ のレベルに近づきます：⁴ S _3/2 レベル。ただし、このMPRプロセスは、Er ³⁺ の母集団には非効率的です。：⁴ F _9/2 レベル[17]。 Er ³⁺ を設定するための別の非MPRメカニズムがあります：⁴ F _9/2 Er ³⁺ からのレベル：⁴ S _3/2 レベル。このメカニズムにはCRETが含まれます：Er ³⁺ ：（² H _11/2 、⁴ S _3/2 ）+ Yb ³⁺ ：² F _7/2 →Er ³⁺ ：⁴ I _13/2 + Yb ³⁺ ：² F _5/2;次に、同じEr ³⁺ –yb ³⁺ ペア、エネルギー逆伝達（CRB）Yb ³⁺ ：² F _5/2 + Er ³⁺ ：⁴ I _13/2 →yb ³⁺ ：² F _5/2 + Er ³⁺ ：⁴ F _9/2 発生します[1]。 CRBプロセスがEr ³⁺ の母集団の主な方法を支配している場合：⁴ F _9/2 レベル、Er ³⁺ の減衰時間：⁴ F _9/2 レベルは、Er ³⁺ の減衰時間とほぼ等しくなければなりません。：⁴ S _3/2 レベル。 CRBプロセスは、低い励起密度で高速かつ効率的です。

図11は、980nm励起下での3つの典型的な三二酸化物のUCLスペクトルを示しています。 Sc ₂ O ₃ ：1％Er ³⁺ 、5％Yb ³⁺ サンプルは、一連のスペクトルの中で最も強いUCLを示します。さらに、Er ³⁺ の輝線：⁴ F _9/2 Sc ₂の最低エネルギー側のレベル O ₃ Y ₂に比べて長波長側に8nmシフトします。 O ₃ 。最も近いSc-Sc距離は、Sc ₂で3.27Åです。 O ₃ Y ₂のY-Y距離（3.752Å）よりも短い O ₃ [3、17]。 Sc ₂の平均Sc–O結合長（2.121Å） O ₃ Y ₂の平均Y–O結合長（2.263Å）よりも短い O ₃ 。 Er ³⁺ / Yb ³⁺ Sc ³⁺ Sc ₂のサイト O ₃ Y ³⁺ よりも強い結晶場を経験します Y ₂のサイト O ₃ 。スペクトルの赤方偏移は、Er ³⁺ の大きなシュタルク分裂に起因する可能性があります。 Sc ₂のイオン O ₃ ホスト。 Y ₂の形態 O ₃ およびLu ₂ O ₃ 比較のために、それぞれ図11a、bの挿入図に示すように、サンプルもTEMによって特徴付けられました。得られた球状粒子は両方とも凝集してバルクになる。 Sc ₂のより良い分散と均一性 O ₃ HT法で合成されたNPは、生物学的アッセイや医用画像への応用に有利です。

結論

要約すると、Sc ₂ O ₃ ：Er ³⁺ 、Yb ³⁺ 約19nmのNPは、単純なオレイン酸を介したHTプロセスによって合成されました。 Sc ₂ O ₃ ：Er ³⁺ 、Yb ³⁺ HT法によるNPは、同じ最適化された濃度Sc ₂の場合と比較して、より強いUCLを示し、そのうちの赤いUCLは4倍に増強されます。 O ₃ ST法によるサンプル。 UCLの強化は、表面グループの減少と寿命の延長に起因する可能性があります。表面グループはMPRを強化し、発光の低下を引き起こしました。 980 nmの励起下では、Er ³⁺ の減衰曲線：（² H _11/2 、⁴ S _3/2 ）→⁴ I _15/2 および⁴ F _9/2 →⁴ I _15/2 HT-Sc ₂の排出量 O ₃ ：1％Er ³⁺ 、5％Yb ³⁺ Er ³⁺ にデータを入力するための非MPRメカニズムの結果として、サンプルは互いに近接しています。：⁴ F _9/2 Er ³⁺ からのレベル：⁴ S _3/2 レベル。このメカニズムにはCRETが含まれます：Er ³⁺ ：（² H _11/2 、⁴ S _3/2 ）+ Yb ³⁺ ：² F _7/2 →Er ³⁺ ：⁴ I _13/2 + Yb ³⁺ ：² F _5/2;次に、同じEr ³⁺ –yb ³⁺ ペア、エネルギー逆伝達（CRB）Yb ³⁺ ：² F _5/2 + Er ³⁺ ：⁴ I _13/2 →yb ³⁺ ：² F _5/2 + Er ³⁺ ：⁴ F _9/2 発生します。比較的低電力密度では、log（ I の線形プロットの傾き）vs log（ P ）赤と緑の放出はそれぞれ2.5と2.1であり、3光子プロセスが存在するため2より大きくなります。典型的な三二酸化物と比較して（Y ₂ O ₃ およびLu ₂ O ₃ ）、Sc ₂ O ₃ ：1％Er ³⁺ 、5％Yb ³⁺ NPはより強力なUCLを示します。さらに、Sc ₂では O ₃ Er ³⁺ の輝線：⁴ F _9/2 最低エネルギー側のレベルは、Y ₂のレベルと比較して8nmだけ長波長側にシフトします。 O ₃ Er ³⁺ の大きなシュタルク分裂による Sc ₂のイオン O ₃ ホスト。結果はSc ₂を示しています O ₃ ：Er ³⁺ 、Yb ³⁺ ナノ粒子（NP）は、生物学分野で小さなサイズの強力なUCLを実現するための優れた材料です。

略語

CR：: クロスリラクゼーション
ET：: エネルギー伝達
HT：: 水熱
NC：: ナノクリスタル
NP：: ナノ粒子
OPO：: 光パラメトリック発振器
ST：: ソルボサーマル
TEM：: 透過型電子顕微鏡
UCL：: アップコンバージョン発光
XRD：: X線回折

Pd官能化カーボンナノコンポジットによって強化されたマトリックスメタロプロテイナーゼ-7のアンペロメトリーバイオセンサー高コンダクタンスのトポロジカル絶縁体ナノシートにおける非常に強化された光電流応答

ナノマテリアル