Microfibras de polímero incorporadas com nanopartículas de prata:uma nova plataforma para detecção óptica

Resumo

A maior sensibilidade da luminescência de conversão ascendente é fundamental para a aplicação de nanopartículas de conversão ascendente (UCNPs). Neste estudo, as microfibras foram fabricadas após co-dopagem de UCNPs com soluções de polimetilmetacrilato (PMMA) e prata (Ag). Perdas de transmissão e sensibilidades de UCNPs (tetrogonal-LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ ) na presença e ausência de Ag foram investigados. Sensibilidade de luminescência de conversão ascendente com Ag (LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ / Ag) é 0,0095 K ⁻¹ e reduzido para (LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ ) 0,0065 K ⁻¹ sem Ag a 303 K sob fonte de laser (980 nm). As microfibras UCNP com Ag apresentaram menores perdas de transmissão e maior sensibilidade do que sem Ag e podem servir como candidatas promissoras para aplicações ópticas. Esta é a primeira observação da microfibra dopada com Ag por meio de um método fácil.

Histórico

Nanopartículas de conversão ascendente (UCNPs) após co-dopagem com íons lantanídeos têm chamado muita atenção devido à aplicação em imagens, materiais de laser, tecnologias de exibição e células solares [1,2,3]. A baixa eficiência de emissão de fluorescência dos UCNPs pode ser causada pelos pequenos coeficientes de absorção dos íons lantanídeos. A dispersão em nanoescala de nanopartículas metálicas em substratos poliméricos e inorgânicos despertou um grande interesse em novas propriedades físicas, químicas e biológicas dos materiais nanocompósitos [4]. Para aplicações potenciais de miniaturização adicional de componentes eletrônicos, detectores ópticos, sensores químicos e bioquímicos e dispositivos são possibilidades excitantes com nanopartículas de metal. Além disso, os semicondutores têm sido usados como sensibilizadores para ampliar a faixa de absorção, como CdSe, CdS, PbS, WO ₃ e Cu ₂ O [5, 6]. Entre esses semicondutores, Cu ₂ O é um candidato interessante devido ao seu gap estreito de ~ 2,1 eV, não toxicidade, baixo custo e abundância, mas heteroestrutura de Cu ₂ O / ZnO é uma estrutura de material promissora. Isso leva a uma integração funcional, novas propriedades do efeito de interface de Cu ₂ Material O e ZnO [7]. Por outro lado, UCNPs representa propriedades superiores em relação aos pontos quânticos semicondutores, por exemplo, a ausência de autofluorescência de penetrabilidade de tecido próximo ao infravermelho, excitação do laser, não piscar e alta estabilidade química [8]. A síntese de materiais dopados com lantanídeos com nanopartículas esféricas e nanobastões tem sido estudada por diversos grupos de pesquisa [9]. O problema de oxidação de UCNPs ocorre em alta temperatura de forma significativa o que reduziu suas aplicações. Para evitar a oxidação, a estrutura do núcleo / casca supera a oxidação, enquanto o SiO ₂ shell cresce em torno de nanocristais. A integração de nanocristais no chip como detector de luz de microestrutura é difícil. Portanto, microtubos, nanofibras dopadas com pontos quânticos e nanofios poliméricos dopados com corante têm sido empregados na tecnologia de optoeletrônica microestrutural após investigação bem-sucedida [10]. Correspondentemente, nanofios, microtubos e nanofibras foram fabricados e utilizados para discutir o comportamento de sensoriamento térmico por diferentes grupos de pesquisa [11, 12].

No entanto, nanopartículas de metal (MNPs) foram consideradas para aumentar a eficiência de UCNPs. Diferentes estratégias, incluindo modificação química, estrutura cristalina e ajuste de campo local do metal, têm sido propostas para melhorar a eficiência e a sensibilidade [13]. Investigações em materiais luminescentes dopados com íons de terras raras para aumento de luminescência da nanoestrutura de metal, como Er ³⁺ / Yb ³⁺ vidros co-dopados para germinação de bismuto contendo nanopartículas de Ag e Er ³⁺ / Yb ³⁺ β-NaLuF co-dopado ₄ nanocristais que são revestidos por spin sobre NPs de ouro foram relatados com resultados inconsistentes e alta sensibilidade [14]. Além disso, a emissão induzida por agregação (AIE) é um fenômeno distinto de fluorescência que sugere que poucos corantes podem emitir fluorescência mais forte em seu estado sólido do que em solução de dispersão [15,16,17]. Diferentes mecanismos, incluindo formação de agregado J, planarização conformacional e transferência de carga intramolecular torcida para o fenômeno AIE, foram previamente propostos por pesquisadores [18,19,20,21,22]. Além disso, materiais com características AIE têm atraído mais atenção de pesquisa para aplicação potencial em vários campos orgânicos de diodos emissores de luz, quimiossensores e bioimagem [23,24,25,26,27]. Especialmente, a preparação de nanopartículas orgânicas fluorescentes ativas para AIE tem atraído atenção recentemente. Esses materiais contendo corantes AIE podem emitir forte luminescência em solução fisiológica que efetivamente conquista o efeito de extinção causado pela agregação de nanopartículas orgânicas fluorescentes com base em corantes orgânicos típicos [28, 29]. Embora muitas estratégias para a preparação de nanopartículas orgânicas fluorescentes AIE-ativas tenham sido desenvolvidas, a preparação de AIE-ativas por meio de reação multicomponente fácil e eficaz (MCR) raramente recebeu atenção devido à incompatibilidade com os dados experimentais [30,31,32,33 , 34]. Portanto, as propriedades únicas de AIE dos corantes se mostraram muito promissoras para a fabricação de nanopartículas poliméricas luminescentes ultrabrilhantes [35, 36].

No estudo experimental máximo, amostras de pó foram usadas para realizar as medições espectrais que aumentaram as preocupações quanto à influência da inter-reflexão de agregação. Portanto, é necessário estabelecer uma estratégia fácil e simples para superar as desvantagens acima mencionadas. Assim, nanopartículas de Ag após co-dopagem com UCNPs e solução de PMMA foram utilizadas em microfibras para aumentar a luminescência. No entanto, nenhum resultado foi descrito com foco em UCNPs co-dopados com Ag para microfibras (UCNPs-MF).

Aqui, apresentamos um método fácil para preparar microfibras de UCNPs / PMMA com e sem soluções de Ag. Especialmente, as propriedades de fotoluminescência de Ag e a ausência de microfibras co-dopadas com Ag são estudadas em vários pontos de excitação das microfibras. Além disso, as características de luminescência UC de uma microfibra são investigadas estimulando uma fonte de laser de diodo de 980 nm em diferentes temperaturas para fins de detecção de temperatura. A dependência do FIR integrado com a temperatura é obtida e os dados experimentais podem ser bem ajustados com uma função exponencial. Assim, uma única microfibra com níveis de transições 2H11 / 2 → 4I15 / 2 e 4S3 / 2 → 4I15 / 2 em 522 e 541 nm é usada para calcular as sensibilidades térmicas.

Seção experimental e de método

Materiais

O pó de prata (Ag), clorofórmio, ciclohexano, NaOH, NH ₄ F e o etanol foram adquiridos à Shanghai Chemical Company, China. Esses produtos químicos eram de grau analítico e usados sem purificação adicional.

Preparação de Tetrogonal-LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ Nanopartículas

UCNP (tetrogonal-LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ ) foi preparado usando a técnica de decomposição térmica. Os frascos de três gargalos de 100 mL foram usados, os quais contêm íons de terras raras com LnCl ₃ (Ln =Lu, Yb, Er) com uma razão molar de 78:22:1, respectivamente. A solução inclui 15 mL de 1-octadeceno (ODE) e 6 mL de ácido oleico (OA). A mistura foi aquecida até 150 ° C para obter uma solução pelúcida e resfriada até a temperatura ambiente após eliminação do oxigênio e da água residual. Quatro milimoles de NH ₄ F e 2,5 mmol de NaOH foram adicionados lentamente a um frasco contendo 10 mL de solução de metanol. Para confirmar, o fluoreto foi dissolvido inteiramente por processo de agitação até 30 min após a solução preparada ter sido aquecida a 300 ° C a uma taxa de 50 ° C / min durante 1 h sob atmosfera de árgon. Os precipitados foram separados a uma taxa de 4000 rpm e resfriados à temperatura ambiente, lavados com etanol e secos a 60 ° C por 12 h.

Fabricação de Fibras Co-dopadas com Ag

Em um processo de fabricação típico, 0,003 g de Ag, 0,005 g de tetrogonol-LiYF ₄ :22% Yb ³⁺ / 1% Er ³⁺ , e 0,6 g de PMMA foram misturados separadamente em 15 ml, 12 ml e 18 ml de ciclohexano (C ₆ H ₁₂ ) e clorofórmio (CHCl ₃ ) solução, respectivamente. Em seguida, a mistura de PMMA foi aos poucos dispensada nas soluções de Ag e UCNP e agitada por 30 min até a obtenção de uma solução transparente. Uma sonda de fibra com uma ponta de vários mícrons de tamanho foi fabricada usando a técnica de desenho aquecido por chama. Após a solução misturada cair no substrato de vidro, uma sonda de fibra foi então mergulhada na solução misturada e retirada rapidamente para fabricar as microfibras. As microfibras foram então desenhadas e cortadas em pequenos pedaços, como mostrado na Fig. 1.

Processo de fabricação de microfibras co-dopadas com Ag ( a ) Extração de microfibras de soluções PMMA + NPs + Ag. b Corte de visualização de microfibras fabricadas em pequenos pedaços

Medição de espectros

A Figura 2 demonstra a configuração experimental, para estudar as propriedades térmicas e ópticas das microfibras. As microfibras foram iluminadas usando uma fonte de excitação de 980 nm após o depósito sobre um substrato de vidro. Para medir as perdas de transmissão das microfibras, foi utilizada a objetiva × 20 (NA =0,4). A câmera do dispositivo de carga acoplada (CCD, ACTON) foi aplicada para obter espectros de emissão de uma microfibra, e o espectrômetro óptico oceânico foi usado para registrar os espectros para medição com sensor de temperatura. A excitação de microfibras com diâmetros diferentes foi demonstrada com fonte de laser de 980 nm com potência de laser de 0,998 mW para estudar propriedades térmicas microscópicas.

Configuração experimental de fenômenos de orientação de ondas

Resultados e discussão

Estrutura e propriedades de transmissão

A pureza de fase e a estrutura cristalina dos UCNPs foram estudadas pela aplicação da técnica de difração de raios X (XRD, Rigaku Miniflex II). Os padrões de pico de XRD observados (Fig. 3a) estão bem indexados e de acordo com o cartão JCPDS # 17-0874. A Fig. 3 (b) exibe imagens de microscopia eletrônica de varredura (SEM, NOva Nano-SEM 650) de uma microfibra. Uma das imagens SEM pode ser vista claramente (veja a inserção), o que sugere que uma microfibra tem um diâmetro uniforme, junto com uma superfície lisa. Para melhor resolução, usamos microscopia eletrônica de transmissão (TEM, Tecnai G2F30) e análise de energia dispersiva de raios-X (EDS, Tecnai G2F30) para investigar microfibras co-dopadas com Ag individuais. A Figura 3 (c, d) mostra imagens TEM e EDS, respectivamente, que confirmam a forte evidência de dispersão uniforme de nanopartículas dopadas com Ag em uma única microfibra.

Processo de caracterização de LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ e microfibras co-dopadas com Ag. a XRD de LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ . b SEM de microfibra co-dopada com Ag. c TEM Of Ag co-dopado microfibra. d EDS de microfibra co-dopada com Ag

Além disso, a espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS, Thermofisher Escalab 250Xi) foi usada para determinar a incorporação bem-sucedida de íons de terras raras e íons de Ag no LiYF ₄ material hospedeiro conforme mostrado na Fig. 4a-f. O espectro de pesquisa XPS (Fig. 4a) mostra a presença de elementos Li, Y, F, Yb, Er e Ag, e o pico em 55,25 eV pode ser atribuído à energia de ligação de Li 1s (Fig. 4b). Os picos observados em 158,08 eV (Fig. 4c) podem ser atribuídos ao Y 3d. O pico em 684,08 eV é atribuído à energia de ligação de F1s (Fig. 4d). Os picos Yb 4d e Er 4d (Fig. 4e) podem ser observados em 186,08 e 164,08 eV, respectivamente. O pico localizado em 359,08 eV está relacionado à energia de ligação do Ag 3d. Isso confirma a tridopagem bem-sucedida de íons de Ag em LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ nanopartículas [37].

XPS a pesquisa, b Li 1s, c Y 3d, d F 1s, e Yb e Er 4d e f Espectros Ag 3d de LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ NPs dopados com Ag

A Figura 5a mostra os espectros de raios infravermelhos da transformada de Fourier (FTIR, Nicolet50 NTA449F3) de LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ / Nanopartículas de Ag na região 400–4000 cm ⁻¹ . Os estudos foram realizados com o objetivo de verificar a pureza e a natureza das nanopartículas. Os picos observados em 3452 cm ⁻¹ podem ser devido ao alongamento e deformação O-H. As bandas em 2925 e 2848 cm ⁻¹ estão associados ao assimétrico (u _as ) e simétrico (u _s ) vibração de alongamento de metileno (−CH ₂ ) no alquil longo da molécula de oleato, respectivamente. As bandas em 1566 e 1469 cm ⁻¹ pode ser atribuído ao assimétrico (u _as ) e simétrico (u _s ) vibração de alongamento do grupo carboxílico, respectivamente. Os espectros contêm um pico em 1740 cm ⁻¹ devido à vibração de alongamento C =O. O pico localizado a 1383 cm ⁻¹ corresponde à vibração de deformação C-H. Os espectros também contêm um pico em 910 e 669 cm ⁻¹ que é devido à vibração de alongamento assimétrico e vibrações de deformação Ag-O. Isso implica que os resultados de FTIR estão de acordo com os valores da literatura [38].

a Espectros de FTIR de LiYF ₄ :Er ³⁺ / Yb ³⁺ / Ag. b Espectro TGA LiYF ₄ :Er ³⁺ / Yb ³⁺ / Ag

Para entender melhor o mecanismo de formação de microfibras dopadas com Ag, a análise térmica gravimétrica (TGA, NETZSCH) foi conduzida sob um fluxo de ar seco de 293-393 K de temperatura. É observado na Fig. 5b que uma microfibra apresenta aproximadamente duas etapas de degradação. A primeira perda de peso abaixo de 333 K pode ser atribuída à perda de umidade absorvida / com a evaporação do solvente preso (H ₂ O ou CHCl ₃ ), que é independente da composição da amostra. No gráfico, a segunda perda de peso ocorre de 333 K para 393 K, o que representa claramente o processo de degradação do polímero. Portanto, as microfibras co-dopadas com Ag são fibras à base de polímeros que não suportam temperaturas acima de 332 K [4].

A fim de investigar as propriedades ópticas individuais das microfibras dopadas e não dopadas com Ag, a luz laser (980 nm) foi empregada a partir da fibra óptica padrão para expor as microfibras em ângulos oblíquos em relação às microfibras ao longo do eixo. A Figura 6a mostra a microfibra co-dopada com Ag (diâmetro ~ 6 μm) que foi excitada verticalmente sob um fundo escuro com 980 nm e parecia que a luz se espalhou em toda a fibra por causa das nanopartículas co-dopadas com Ag serviram como transmissor de luz. Por outro lado, a Fig. 6d representa sem microfibra co-dopada com Ag (diâmetro ~ 6,5 μm) que foi excitada sob um fundo escuro na posição superior com fonte de laser de 980 nm. Isso sugere que a luz não pode ser transmitida igualmente na fibra devido aos fenômenos de alta auto-absorção e espalhamento de Rayleigh. Uma microfibra (diâmetro ~ 6 μm) contendo NPs co-dopados com Ag mostra alta emissão de luz verde do que Ag não dopado (diâmetro ~ 6,5 μm) com a mesma excitação da fonte de laser sob campo escuro. É observado que os pontos finais brilhantes sem nenhum cluster com guias de ondas ópticas pretendem que a microfibra co-dopada com Ag absorva perto da luz infravermelha e conduza da mesma forma em direção aos pontos finais. Além disso, as Fig. 6b e c indicam que as fibras co-dopadas com Ag com diâmetros diferentes (~ 15,55 e ~ 9,15 μm) foram excitadas em cinco posições diferentes e exibiram emissões de luz verde em direção aos pontos finais. Por outro lado, a fonte de laser de 980 nm foi aplicada para excitar microfibras (sem Ag NPs) em cinco posições diferentes com diâmetros diferentes (~ 11,89 e 14,57 μm) que são mostrados na Fig. 6e-f, indicando menos emissão de luz verde em direção aos pontos finais. A intensidade da fotoluminescência (PL) de pontos excitados contra pontos finais foi realizada para elaborar o desempenho de guia de onda de microfibras (com e sem Ag NPs) quantitativamente [39]. Usamos adobe photoshop para converter imagens spot de RGB para estilos de cinza, esses valores de cinza foram avaliados usando MATLAB para caracterizar as intensidades correspondentes. Após normalizar os pontos finais das intensidades de fotoluminescência em direção aos pontos excitados, as curvas de decaimento dependentes da distância de propagação da luz foram obtidas.

Imagens de fotoluminescência com diferentes diâmetros de microfibras. a - c Luminescência de microfibra Ag sob fundo escuro. d - f Excitação sem microfibra Ag sob fundo preto

As perdas de transmissão foram medidas usando a equação [40]:
$$ \ frac {I _ {\ mathrm {endpoint}}} {I _ {\ mathrm {O}}} =\ exp \ left (- \ upalpha \ mathrm {d} \ right) $$ (1)
Aqui, Eq. (1) mostra que a distância dos pontos excitados aumenta, o que resulta na diminuição exponencial da intensidade da fotoluminescência. A relação entre a intensidade da fotoluminescência em função da distância guia das fibras (~ 15,55 e ~ 9,15 μm) com Ag NPs é mostrada na Fig. 7a, b. Os espectros emitidos foram coletados em cinco posições ao longo do eixo das microfibras, que especifica a transmissão da luz do laser com coeficientes de perda de transmissão α =108,94 cm ⁻¹ e 91,05 cm ⁻¹ . Por outro lado, a Fig. 7c, d demonstra os coeficientes de perda de transmissão de microfibras (sem Ag NPs) com um diâmetro de 11,89 e 14,57 μm são cerca de 231,72 e 274,84 cm ⁻¹ , respectivamente. É digno de nota que quando a luz é guiada através de microfibras co-dopadas com Ag, ela mantém pequenas áreas modais ao longo de todo o comprimento da fibra. Ele permite uma forte interação entre a luz e as nanopartículas de Ag em cascata, levando à transferência de luz com alta eficiência em relação às microfibras sem Ag. Nanopartículas co-dopadas com Ag têm conversão de fóton em plasmon altamente eficiente em microfibras guiadoras de onda e facilitam as interações de matéria leve em uma área altamente localizada [41]. Ele acelera as oportunidades para desenvolver componentes fotônicos baseados em Ag e dispositivos com alta compactação, baixo consumo de energia óptica e tamanhos reduzidos. Observa-se que a excitação multifotônica simultânea tem sido amplamente aplicada em microscopia óptica fluorescente para mostrar maior resolução e diminuição da autofluorescência do espécime, bem como maior profundidade de imagem. No entanto, a seção transversal de baixa absorção de NIR de etiquetas multifotônicas requer que esta técnica seja submetida ao uso de laser pulsado ultracurto de alta potência de pico. Principalmente distinto do processo multifotônico simultâneo em corantes e QDs, que envolve o uso de um nível de energia virtual, a conversão ascendente de fótons em UCNPs depende da absorção sequencial de fótons de baixa energia por meio do uso de níveis de energia em escada de íons de dopagem de lantanídeos. Esta diferença mecânica quântica torna as ordens de magnitude do UCNP mais eficientes do que o processo multifotônico, permitindo a excitação com um diodo laser de onda contínua de baixo custo em irradiância de baixa energia, normalmente tão baixo quanto ∼ 10 ⁻¹ W.cm ⁻² [42]. As microfibras (UCNPs / PMMA / Ag) possuem propriedades de transmissão favoráveis. Assim, as microfibras propostas (UCNPs / PMMA / Ag) têm vantagens de fácil fabricação, baixo custo, forte plasticidade e propriedades ópticas únicas de UCNPs, como grande deslocamento anti-stokes e bandas de emissão abundantes, apoiando ainda mais suas aplicações baseadas em sinal óptico transmissão, sensores e componentes ópticos. Consequentemente, nossos resultados estimados de desempenho de guia de ondas mostram boa concordância com o trabalho relatado [43, 44].

a , b Linhas de ajuste entre a intensidade da fotoluminescência (PL) e a distância guia de diferentes diâmetros de microfibras com Ag co-dopado sob diferentes pontos de excitação. c - d Linhas de ajuste entre a intensidade da fotoluminescência (PL) e a distância guia de diferentes diâmetros de microfibras sem Ag co-dopado sob diferentes pontos de excitação

Níveis de energia e efeitos térmicos

Para elaborar o diagrama de nível de energia de UCNPs (Yb ³⁺ / Er ³⁺ ), duas bandas de emissão verdes dominantes em torno de 522 e 541 e uma banda de emissão vermelha centrada em ~ 660 nm foram observadas. Essas linhas de emissão observadas são originadas de ² H _11/2 → ⁴ I _15/2 , ⁴ S _3/2 → ⁴ F _9/2 e ⁴ S _3/2 → ⁴ I _15/2 de Er ³⁺ íons, respectivamente. Níveis de energia ² H _11/2 e ⁴ S _3/2 são preenchidos por dois processos de fótons. Para o sistema de população de Yb ³⁺ / Er ³⁺ íons, Yb ³⁺ íons são estimulados pelos fótons bombeando para preencher três níveis consecutivos de Er ³⁺ íons que são demonstrados como ⁴ I _2/11 , ⁴ F _9/2 e ² H _11/2 níveis. Observa-se que a população de ² H _11/2 é obtido a partir de determinado processo ⁴ I _15/2 → ⁴ I _2/11 (Er ³⁺ ):⁴ I _2/11 → ² H _11/2 (Er ³⁺ ) níveis. Este fenômeno é causado pela excitação de temperatura entre níveis termicamente acoplados. Portanto, as populações de ² H _11/2 e ⁴ S _3/2 satisfazer as estatísticas de Boltzmann, resultando na variação das taxas de população de ² H _11/2 → ⁴ I _15/2 e ⁴ S _3/2 → ⁴ I _15/2 níveis [45]. O mecanismo do processo de conversão ascendente em Er ³⁺ / Yb ³⁺ é ilustrado na Fig. 8.

Diagrama de nível de energia de LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺

Os UCNPs co-dopados com Ag em fibras mostraram espectros com fonte de laser de 980 nm. A luminescência de conversão ascendente (UC) é adequada para aplicações de detecção de temperatura. Portanto, as Figs. 9a e 10a representaram os espectros de emissão de Ag e sem NPs co-dopados com Ag que variaram de 400 a 750 nm sob a fonte de excitação de laser de fibra, e os espectros foram coletados com um incremento médio de 5 ° C no regime de temperatura (303-348 K) . Curiosamente, ao aumentar a temperatura, as intensidades de emissão diminuíram significativamente, portanto, usando potências do laser de 0,998 mW para evitar os efeitos térmicos, indicando claramente o comportamento dependente da temperatura. Enquanto UCNPs-MF foi aquecido no domínio da temperatura de 348–303 K, toda a fotoluminescência foi restaurada à posição original, enquanto as intensidades mostraram redução significativa com o aumento da temperatura. Portanto, esta redução significativa na intensidade é atribuída à escalada da variedade de intensidade relativa correspondente a várias taxas de relaxamento multifonon para diversas taxas de relaxamento multifonon. A intensidade luminescente é significativamente aumentada pela introdução de Ag em uma microfibra sob as mesmas condições experimentais. Normalmente, a energia térmica é gerada por luz laser perto da área irradiada cuja temperatura é medida pela aplicação de sensores térmicos, para estimar a temperatura do ponto irradiado com grande precisão. A técnica de razão de intensidade de fluorescência é uma técnica versátil amplamente usada para estimativa de temperatura. Discutimos fibras co-dopadas com Ag e sem Ag após flutuação de temperatura; populações de ² H _11/2 e ⁴ S _3/2 seguiu a distribuição de Boltzmann que resultou em taxas populacionais variáveis de ² H _11/2 → ⁴ I _15/2 e ⁴ S _3/2 → ⁴ I _15/2 . A detecção de temperatura pode ser calculada usando a razão de intensidade entre ² H _11/2 → ⁴ I _15/2 e ⁴ S _3/2 → ⁴ I _15/2 transições. O método da razão de intensidade de fluorescência (FIR) pode ser expresso a partir da seguinte equação [46]:
$$ \ mathrm {FIR} =\ frac {I_ {522 \ mathrm {nm} \ kern0.75em}} {I_ {541 \ mathrm {nm}}} =C \ exp \ left (- \ frac {\ Delta E } {kT} \ \ right) $$ (2)

a Espectros de emissão de conversão ascendente 3D de microfibra co-dopada com Ag sob fonte de excitação de 980 nm. b Curvas ajustadas entre a razão de intensidade de fluorescência e temperatura. c Dados ajustados entre sensibilidade (K ⁻¹ ) e temperatura (K) de microfibra co-dopada com Ag

a Espectros de emissão de conversão ascendente 3D sem Ag sob fonte de excitação de 980 nm. b Curvas ajustadas entre razão de intensidade de fluorescência e temperatura sem Ag. c Dados ajustados entre sensibilidade (K ⁻¹ ) e temperatura (K) sem Ag

Aqui, eu _{522 nm} e eu _{541 nm} são as intensidades relativas, C é a constante de proporcionalidade, ΔE é o gap de energia entre 522 e 540 nm, T é a temperatura absoluta e k é a constante de Boltzmann. Além disso, as Figs. 9b e 10b mostram a variação da FIR com a temperatura; Eq. (2) determinou que os dados experimentais observados têm uma boa relação de ajuste linear. Vale a pena investigar outro parâmetro-chave que é o mecanismo de sensoriamento térmico de microfibra dopada com Ag e sem Ag. Portanto, sensibilidade ( S ) pode ser escrito da seguinte forma [47]:
$$ {S} _ {\ mathrm {a}} =\ frac {\ mathrm {FIR}} {\ mathrm {dT}} =\ mathrm {FIR} \ left (\ frac {\ Delta E} {kT ^ 2 } \ right) $$ (3)
Aqui, S _a é a sensibilidade absoluta de Ag e sem microfibras co-dopadas com Ag. As curvas são exibidas nas Figs. 9c e 10c, mas valores digitais (FIR, ΔE e k ) para Ag e sem Ag são obtidos por curvas ajustadas apresentadas nas Figs. 9b e 10b. Sensibilidades máximas do sensor para LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ e LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ / Ag demonstrou ser 0,0065 e 0,0095 K ^{° 1} a 303 K, respectivamente. As sensibilidades do sensor óptico de temperatura em diferentes materiais hospedeiros estão listadas na Tabela 1. Embora outras sensibilidades tenham um valor mais alto em comparação com sem Ag UCNPs, LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ / Ag é superior aos materiais hospedeiros.

Isso pode estar relacionado à maior sensibilidade entre outros materiais hospedeiros, conforme mostrado na Tabela 1. Além disso, observamos que a sensibilidade do LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ / Ag a 303 K também é maior que LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ manifestado como um fóton altamente eficiente para a conversão de plasmon de nanopartículas de Ag em microfibras. As microfibras co-dopadas com Ag são intrinsecamente imunes ao fotobranqueamento, que fornece dopante de alta estabilidade para detecção óptica. Isso sugere que as fibras co-dopadas com Ag, devido às propriedades de detecção significativas, são adequadas para reconhecimento de temperatura. Como resultado, a utilização de nanopartículas de Ag em uma microfibra é benéfica para aumentar a luminescência e adequar as propriedades de sensoriamento térmico, sugerindo um sensor sensitivo de temperatura promissor.

Conclusões

Em resumo, tetrogonal-LiYF ₄ :Yb ³⁺ / Er ³⁺ foram preparados através do método de decomposição térmica e as fibras foram fabricadas após co-dopagem da solução de PMMA com Ag e UCNPs. A incorporação bem-sucedida de Ag em UCNPs foi apoiada por meio de análises SEM, TEM, EDS, XPS, FTIR e TGA. As microfibras de polímero co-dopadas com Ag com uma abordagem de excitação guiada por ondas e uso potencial demonstrado em sensor térmico foram investigadas. A sensibilidade à temperatura dependente da intensidade da microfibra Ag (0,0095 K ^{° 1} ) é maior do que Ag não dopado (0,0065 K ^{° 1} ) a 303 K, propondo microfibras dopadas com Ag são candidatos potenciais para atualizar a sensibilidade à temperatura baseada na intensidade na temperatura ambiente, o que abre novas oportunidades para o desenvolvimento de dispositivos compactos fotônicos e plasmônicos com baixa potência óptica. No desenvolvimento de um método recentemente empregado de microfibras com propriedades especificadas, melhorias significativas no aprimoramento da conversão ascendente podem ser possíveis, levando a um conversor ascendente mais eficiente, permitindo assim muitas das aplicações tecnológicas desses materiais.