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Volume and surface effects on two-photonic and three-photonic processes in dry co-doped upconversion nanocrystals

  • Despite considerable advances in synthesizing high-quality core/shell upconversion (UC) nanocrystals (NC; UCNC) and UCNC photophysics, the application of near-infrared (NIR)-excitable lanthanide-doped UCNC in the life and material sciences is still hampered by the relatively low upconversion luminescence (UCL) of UCNC of small size or thin protecting shell. To obtain deeper insights into energy transfer and surface quenching processes involving Yb3+ and Er3+ ions, we examined energy loss processes in differently sized solid core NaYF4 nanocrystals doped with either Yb3+ (YbNC; 20% Yb3+) or Er3+ (ErNC; 2% Er3+) and co-doped with Yb3+ and Er3+ (YbErNC; 20% Yb3+ and 2% Er3+) without a surface protection shell and coated with a thin and a thick NaYF4 shell in comparison to single and co-doped bulk materials. Luminescence studies at 375 nm excitation demonstrate backenergy transfer (BET) from the 4G11/2 state of Er3+ to the 2F5/2 state of Yb3+, through which the red Er3+ 4F9/2 state isDespite considerable advances in synthesizing high-quality core/shell upconversion (UC) nanocrystals (NC; UCNC) and UCNC photophysics, the application of near-infrared (NIR)-excitable lanthanide-doped UCNC in the life and material sciences is still hampered by the relatively low upconversion luminescence (UCL) of UCNC of small size or thin protecting shell. To obtain deeper insights into energy transfer and surface quenching processes involving Yb3+ and Er3+ ions, we examined energy loss processes in differently sized solid core NaYF4 nanocrystals doped with either Yb3+ (YbNC; 20% Yb3+) or Er3+ (ErNC; 2% Er3+) and co-doped with Yb3+ and Er3+ (YbErNC; 20% Yb3+ and 2% Er3+) without a surface protection shell and coated with a thin and a thick NaYF4 shell in comparison to single and co-doped bulk materials. Luminescence studies at 375 nm excitation demonstrate backenergy transfer (BET) from the 4G11/2 state of Er3+ to the 2F5/2 state of Yb3+, through which the red Er3+ 4F9/2 state is efficiently populated. Excitation power density (P)-dependent steady state and time-resolved photoluminescence measurements at different excitation and emission wavelengths enable to separate surface-related and volume-related effects for two-photonic and threephotonic processes involved in UCL and indicate a different influence of surface passivation on the green and red Er3+ emission. The intensity and lifetime of the latter respond particularly to an increase in volume of the active UCNC core. We provide a threedimensional random walk model to describe these effects that can be used in the future to predict the UCL behavior of UCNC.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:Bettina Grauel, Christian WürthORCiD, C. Homann, Lisa Krukewitt, Elina AndresenORCiD, Janina Roik, Sebastian RecknagelORCiD, M. Haase, Ute Resch-GengerORCiD
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):NanoResearch
Jahr der Erstveröffentlichung:2022
Organisationseinheit der BAM:1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien
1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien / 1.2 Biophotonik
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlag:Springer
Jahrgang/Band:15
Ausgabe/Heft:3
Erste Seite:2362
Letzte Seite:2373
DDC-Klassifikation:Naturwissenschaften und Mathematik / Chemie / Analytische Chemie
Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Freie Schlagwörter:Brightness; Energy transfer; Excitation; Lanthanide; Lifetime; Mechanism; Modeling; NIR; Nano; Nanomaterial; Nanoparticle; Photoluminescence; Power density; Pphotophysics; Quantum yield; Sensor; Simulation; Single particle; Upconversion
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Material
Material / Nano
Umwelt
Umwelt / Sensorik
DOI:10.1007/s12274-021-3727-y
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-535317
ISSN:1998-0124
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Datum der Freischaltung:18.10.2021
Referierte Publikation:Ja
Datum der Eintragung als referierte Publikation:18.10.2021
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Wissenschaftliche Artikel der BAM
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