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Yb- and Er concentration dependence of the upconversion luminescence of highly doped NaYF4:Yb,Er/NaYF4:Lu core/shell nanocrystals prepared by a water-free synthesis

  • High sensitizer and activator concentrations have been increasingly examined to improve the performance of multi-color emissive upconversion (UC) nanocrystals (UCNC) like NaYF4:Yb,Er and first strategies were reported to reduce concentration quenching in highly doped UCNC. UC luminescence (UCL) is, however, controlled not only by dopant concentration, yet by an interplay of different parameters including size, crystal and shell quality, and excitation power density (P). Thus, identifying optimum dopant concentrations requires systematic studies of UCNC designed to minimize additional quenching pathways and quantitative spectroscopy. Here, we quantify the dopant concentration dependence of the UCL quantum yield (ΦUC) of solid NaYF4:Yb,Er/NaYF4:Lu upconversion core/shell nanocrystals of varying Yb3+ and Er3+ concentrations (Yb3+ series: 20%‒98% Yb3+; 2% Er3+; Er3+ series: 60% Yb3+; 2%‒40% Er3+). To circumvent other luminescence quenching processes, an elaborate synthesis yieldingHigh sensitizer and activator concentrations have been increasingly examined to improve the performance of multi-color emissive upconversion (UC) nanocrystals (UCNC) like NaYF4:Yb,Er and first strategies were reported to reduce concentration quenching in highly doped UCNC. UC luminescence (UCL) is, however, controlled not only by dopant concentration, yet by an interplay of different parameters including size, crystal and shell quality, and excitation power density (P). Thus, identifying optimum dopant concentrations requires systematic studies of UCNC designed to minimize additional quenching pathways and quantitative spectroscopy. Here, we quantify the dopant concentration dependence of the UCL quantum yield (ΦUC) of solid NaYF4:Yb,Er/NaYF4:Lu upconversion core/shell nanocrystals of varying Yb3+ and Er3+ concentrations (Yb3+ series: 20%‒98% Yb3+; 2% Er3+; Er3+ series: 60% Yb3+; 2%‒40% Er3+). To circumvent other luminescence quenching processes, an elaborate synthesis yielding OH-free UCNC with record ΦUC of ~9% and ~25 nm core particles with a thick surface shell were used. High Yb3+ concentrations barely reduce ΦUC from ~9% (20% Yb3+) to ~7% (98% Yb3+) for an Er3+ concentration of 2%, thereby allowing to strongly increase the particle absorption cross section and UCNC brightness. Although an increased Er3+ concentration reduces ΦUC from ~7% (2% Er3+) to 1% (40%) for 60% Yb3+. Nevertheless, at very high P (> 1 MW/cm2) used for microscopic studies, highly Er3+-doped UCNC display a high brightness because of reduced saturation. These findings underline the importance of synthesis control and will pave the road to many fundamental studies of UC materials.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:Christian WürthORCiD, Bettina Grauel, Monika Pons, Florian FrenzelORCiD, P. Rissiek, Kerstin Rücker, Markus Haase, Ute Resch-GengerORCiD
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):Nano Research
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
Erste Seite:1
Letzte Seite:8
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Freie Schlagwörter:Lanthanides; Nanoparticle; Quantum yield; Upconverion
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Material
Material / Nano
DOI:10.1007/s12274-022-4570-5
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-551346
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Datum der Freischaltung:29.06.2022
Referierte Publikation:Ja
Datum der Eintragung als referierte Publikation:29.06.2022
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Wissenschaftliche Artikel der BAM
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