안티

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 19388(2022) 이 기사 인용

1364 액세스

4 인용

9 알트메트릭

측정항목 세부정보

나노입자를 상향 변환하는 것은 바이오이미징 및 에너지 변환을 포함한 많은 분야뿐만 아니라 위조와의 전쟁에서도 요구 사항이 될 수 있습니다. 란탄족 이온의 특성으로 인해 적절하게 설계된 시스템을 사용하면 위조가 어렵거나 불가능할 수도 있습니다. 이러한 접근법의 제안은 투명 바니시와 결합된 NaErF4:Tm3+@NaYF4 core@shell 상향 변환 나노입자입니다. 불화물 매트릭스에 존재하는 Er3+ 이온의 분광학적 특성을 고려하면, 얻은 상향 변환 나노입자는 808 및 975 nm 파장의 빛을 흡수합니다. 의도적으로 공동 도핑된 Tm3+ 이온은 녹색 Er3+ 방출 특성을 빨간색 발광으로 조정하는 것을 가능하게 하며, 특히 위조 방지 응용 분야에 바람직합니다. 이 기사에는 구조적 및 형태학적 특성에 대한 철저한 분석이 포함되어 있습니다. 더욱이, 이 연구는 NaErF4:Tm3+@NaYF4 NPs의 독점적인 발광 특성이 투명 바니시에 부여되어 탁월한 위조 방지 시스템을 제공하고 두 가지 다른 여기 파장에서 적색 방출을 나타낼 수 있음을 보여줍니다.

오늘날 상향 변환 나노입자(UCNP)의 탁월한 분광 특성은 생물의학1, 광전자공학2,3 및 위조 방지 요구4,5,6,7에 대한 해답입니다. UCNP의 다양한 응용은 상향 변환 현상과 결합된 란탄족 이온 Ln3+의 발광 특성 때문입니다. 상향 변환 방출인 비선형 프로세스에는 근적외선(NIR) 범위의 두 개 이상의 저에너지 광자를 더 높은 에너지를 갖는 광자로 변환하는 과정이 포함됩니다. 이는 좁은 방출 대역, 상대적으로 긴 발광 수명(μs에서 ms까지), 낮은 자가형광, 무시할 수 있는 광표백 및 높은 신호 대 잡음비8를 초래합니다. 높은 화학적 안정성 및 낮은 독성과 같은 UCNP의 추가 기능은 또 다른 장점이므로 광범위하게 적용됩니다9,10,11.

가장 일반적이고 잘 알려진 무기 UC 물질은 Ln3+로 도핑된 물질로, 일반적으로 NIR 980nm 여기 파장에서 활성화되는 가시광 방출을 나타냅니다12. 이러한 시스템에는 감광제로 작용하는 한 쌍의 Ln3+ 이온(일반적으로 Yb3+ 이온)과 방사체 역할을 하는 기타 Ln3+ 이온(예: Er3+, Ho3+ 또는 Tm3+ 이온)이 포함되어 있습니다13,14. 불소 물질, AREF4 유형(A = Na, Li, K, RE = Y, Lu 또는 Gd)에 도핑된 이러한 유형의 발광 시스템은 가장 효율적인 발광단 중 하나로 간주됩니다. 그러나 위에서 언급한 UCNP의 밝기와 효율은 낮은 도펀트 이온 농도 값(Yb3+의 경우 18~20%, 발광 활성화 이온의 경우 일반적으로 2% 미만)으로 인해 제한됩니다. 농도가 높을수록 교차 완화 과정(CR)이 발생하고 일반적으로 농도 담금질이 발생하여 발광 효율이 감소합니다. 이러한 제한에 대한 해결책은 보호적인 불활성 쉘로 구성된 UCNP의 core@shell 구조로, 방출 특성을 담당하는 표면 담금질 센터와 발광 코어로부터 활성화제 이온이 분리되어 표면 결함으로의 에너지 이동을 최소화합니다. 예를 들어, 이 전략을 사용하면 LiLuF4/Yb/Tm@LiLuF4(20:0.5) 나노입자의 경우 약 7.6%의 UC 양자 수율(UCQY)에 도달할 수 있습니다. 코어를 형성하는 동일한 나노입자인 NP는 UCQY가 0.61%에 불과합니다19. 또한, core@shell 구조는 증감제/방출체 이온의 고농도를 허용하여 관찰된 방출 강도를 크게 향상시킵니다.

고도로 도핑된 core@shell 구조가 표면 소광제로의 이동 에너지 문제를 해결하지만 교차 이완 과정은 여전히 ​​발생할 수 있습니다. 다행스럽게도 이 현상은 단일 대역 방출의 관찰을 가능하게 하여 문서나 귀중한 제품 보호를 위한 위조 방지 활동에 유리한 밝은 측면을 가지고 있습니다. Chenet al. 과정을 자세히 설명하고 NaErF4:Tm3+@NaYF4 core@shell UCNP의 순수한 적색 방출을 설명했습니다. 이 구조는 Er3+ 이온이 동시에 증감제이자 방출체 이온이기 때문에 일반적으로 UC 시스템에서 사용되는 Yb3+ 이온의 존재를 배제합니다. Er3+ 이온은 직접 흡수로 인해 NIR 범위에서 최대 3개의 파장(즉, 808 또는 980 nm 파장)으로 여기될 수 있는 고유한 특성을 가지고 있습니다. 그런 다음 흡수된 에너지는 Ho3+, Nd3+ 또는 Tm3+ 이온과 같은 또 다른 공동 도핑된 활성화제로 이동합니다. 이러한 정교한 UCNP는 다중 모드 보안 시스템으로 인해 문서 및 귀중한 제품의 위조 방지와 관련이 있습니다. 이는 다중 대역 여기 및 정확한 빨간색 방출 색상을 의미하며, 이는 제품 보호를 크게 향상시킵니다. core@shell 불소 UCNP를 기반으로 한 위조 방지 시스템의 또 다른 장점은 무기 매트릭스의 상대적으로 낮은 포논 에너지로 인해 매우 강렬한 방출을 얻을 수 있다는 것입니다. 발광 강도는 Ln3+ 이온으로 도핑된 다른 매트릭스, 예를 들어 산소로 구성된 매트릭스(예: 산화물 또는 바나듐산염 매트릭스24,25,26,27)의 방출보다 비교할 수 없을 정도로 높습니다. 또한, 고비점 용매 방법으로 침전시켜 제조한 이러한 유형의 UCNP의 나노 크기와 균질성은 상업용 바니시를 포함한 다양한 매체와 쉽게 혼합할 수 있게 해줍니다. 예를 들어, 고체 반응 공정으로 인해 벌크 물질이 생성되며 이러한 유형의 형광체는 안정적이고 투명한 콜로이드를 형성할 수 없으며 현탁액만 형성할 수 있습니다. 이는 잉크나 바니시로 균일한 혼합물을 만들 수 없다는 의미입니다. 따라서 덮인 표면은 육안으로 쉽게 인식할 수 있으며 평면 및 손상되지 않은 인쇄를 얻는 데 방해가 될 수 있습니다24,27. 형태가 상대적으로 열악한 경우 안정적인 혼합물과 균질한 인쇄 및 표면 피복을 얻는 데 어려움이 있습니다.