Способ получения высокоэффективной апконверсионной люминесценции комплексов оксида иттербия с наночастицами золота

Задачей заявляемого изобретения является разработка способа получения красной апконверсионной люминесценции в диапазоне 680-700 нм порошка наночастиц оксида иттербия, усиленной за счет плазмонного резонанса золотых наночастиц при возбуждении полупроводниковым лазером 980 нм. Поставленная задача решается тем, что в апконверсионном люминофоре порошка оксида иттербия наблюдается кооперативная люминесценция между близко расположенными ионами иттербия, при этом генерируются плазмоны наночастиц золота и реализуется механизм переноса энергии возбуждения от плазмонов к ионам иттербия, что приводит к увеличению интенсивности свечения в заданном диапазоне. Для этого из металлического иттербия получают порошок оксида иттербия Yb2O3, к нему добавляют коллоидный раствор абляционных наночастиц золота, полученный состав высушивают, формируют таблетку, затем помещают ее под лазерное излучение 980 нм, в результате чего наблюдают красное свечение апконверсионной люминесценции. Приготовление порошков оксида иттербия Yb2O3 осуществлялось в следующей последовательности. Металлический иттербий чистотой 99,999% (Sigma Aldrich) растворяли в 20% растворе азотной кислоты. Соль Yb(NO3)3, образовавшуюся после испарения раствора, отжигали в муфельной печи при 1000°C в течение 2 часов. Соль Yb(NO3)3 растирали в ступке и растворяли в дистиллированной воде при комнатной температуре. К полученному раствору добавляли раствор щавелевой кислоты до полного выпадения осадка оксалата иттербия. Далее при нагревании оксалат иттербия разлагается и превращается в оксид. Часть полученного оксида иттербия выдерживали в холодной воде (5°C) в течение двух недель для получения пористой структуры поверхности за счет избирательного растворения активных участков поверхности порошка. После этого порошок сушили при комнатной температуре и отжигали в печи при 300°C в течение 2 ч. Структура поверхности полученных образцов исследовались методом электронной микроскопии. Таблетки оксидов иттербия с разной структурой поверхности (до и после замачивания в воде) диаметром 1 см и толщиной 1 мм получали прессованием под давлением 9,987  1012 Па. Наночастицы(НЧ) золота были приготовлены методом лазерной абляции золотой пластинки пробы 999,9 в воде с помощью фемтосекундного лазера фирмы Avesta (лазерная система ТЕТА-25/30, Россия) с длиной волны излучения λ = 1032 нм, длительностью импульса 280 фс, частотой 25 кГц, средней максимальной мощностью Pсr=3,7 Вт. Размеры НЧ золота исследовали методом фотокорреляционной спектроскопии. Средние значения радиуса НЧ золота составляли r = 2849 нм. При приготовлении образца оксида иттербия с НЧ золота количество оксида иттербия составляло 20 мг, на него происходило осаждение НЧ золота с концентрацией в диапазоне (0.25-1.0)10-4 М. Процесс осаждения был выполнен в водном растворе с магнитной мешалкой в течении 2 часов при Т =60°С. Полученный порошок с НЧ высушивался в сушильном шкафу при 40 град в течение 20 мин. Структура поверхности полученных порошков исследовали методом электронной микроскопии. Источником возбуждения апконверсионной люминесмценции(АКЛ) оксида иттербия с наночастицами золота был ИК-лазер (LSR-PS-II, Китай) с длиной волны λ = 980 нм и плавной регулировкой мощности в диапазоне 0.1 -1.0 Вт. При регистрации кинетики затухания АКЛ образцов данный лазер был использован в импульсном режиме генерации излучения с помощью импульсного генератора импульсов Г5-54. Под защитный кожух помещается таблетка порошка оксида иттербия с наночастицами золота. Излучение регистрируется с помощью ФЭУ, подключенного к блоку питания. Интенсивность сигнала от ФЭУ определяется при помощи осциллографа. Выявлена зависимость квантового выхода люминесценции от концентрации наночастиц золота. В области концентраций золота 0.2510-4 – 0.710-4 M при увеличении содержания золота квантовый выход люминесценции увеличивается по линейному закону. Максимальный квантовый выход апконверсионной люминесценции при мощности возбуждения 0.5 Вт составил 42% при концентрации наночастиц золота 10-4 M. Таким образом, при способе получения высокоэффективной апконверсионной люминесценции микропористого оксида иттербия с адсорбированными наночастицами золота, добавленными с целью плазмонного усиления квантового выхода свечения люминесценции, люминофор создан на основе только одного редкоземельного элемента – иттербия, обладающего кооперативной апконверсионной люминесценцией, а усиление люминесцентного сигнала осуществляется за счет генерации плазмонов наночастицами золота, адсорбированных на пористой поверхности, и диполь-дипольной передачи энергии возбуждения от плазмонов к ионам иттербия Yb3+.