Published September 4, 2020 | Version v1
Publication Open

Fabrication and characterization of up-converting β-NaYF4:Er3+,Yb3+@NaYF4 core–shell nanoparticles for temperature sensing applications

  • 1. Vietnam Academy of Science and Technology
  • 2. Polish Academy of Sciences
  • 3. Duy Tan University

Description

This paper presents the use of soft template method to synthesize core and core-shell up-converting nanoparticles usefull for temperature sensing applications. Based on the stock solutions of core β-NaYF4:Er3+,Yb3+ nanoparticles and involving soft template method without any additional process of surface functionalization, it is possible to directly design the core-shell β-NaYF4:Er3+,Yb3+@NaYF4 nanoparticles, which can be perfectly dispersed in cyclohexane and surfactants like oleic acid (OA), triethanolamine (TEA) or Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB). The morphological, crystalline and elemental characteristics of samples were investigated by Field Emission Scanning Electron Microscopy, X-Ray Diffraction, High Resolution Transmission Electron Microscopy, Selected Area Electron Diffraction patterns and Energy-Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDX) measurements. The results showed that the synthesized NaYF4:Er3+,Yb3+@NaYF4 core-shell nanoparticles have roughly spherical shape, pure hexagonal β phase with core size of about 35 ± 5 nm and shell thickness of about 40 ± 5 nm. It has been shown that the coating of the β-NaYF4:Er3+,Yb3+ core with NaYF4 shell layer enables to enhance the green upconversion (UC) emission intensities in respect to red one. Under 976 nm excitation, the synthesized β-NaYF4:2%Er3+,19%Yb3+@NaYF4 core-shell nanoparticles revealed three strong emission bands at 520 nm, 545 nm and 650 nm corresponding to 2H11/2, 4S3/2 and 4F9/2 to 4I15/2 transitions of Er3+ ions with the lifetimes of 215, 193 and 474 µs, respectively. The calculated CIE chromaticity coordinates proved that the emission colour of core-shell nanoparticles was changed from red into yellowish green upon increasing the power density of the 976 nm laser from 0.73 to 9.95 W/cm2. The calculated slopes indicated that in the β-NaYF4:2%Er3+,19%Yb3+@NaYF4 core-shell nanoparticles, two-photon and three-photon UC processes took place simultaneously. Although the former one is similar as in the case of β-NaYF4:Er3+,Yb3+ bare core nanoparticles, the latter one, three-photon UC process for green emission occurs, due to cross relaxation processes of two Er3+ ions only within nanoparticles with core-shell architecture. Moreover, the energy difference between the 2H11/2 and 4S3/2 levels and associated constant of NaYF4@NaYF4 host lattice were determined and they reached ~ 813 cm-1 and 14.27 (r2 = 0.998), respectively. In order to investigate the suitability of nanoparticles for optical temperature sensing, the emission spectra were measured in a wide temperature range from 158 to 298 K. An exceptionally high value of relative sensitivity was obtained at 158 K and it amounted to 4.25% K-1. Further temperature increase resulted in gradual decrease of relative sensitivity, however, it maintained a high value > 1% K-1 in the entire analyzed temperature range.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تعرض هذه الورقة استخدام طريقة القالب اللين لتوليف الجسيمات النانوية الأساسية والجسيمات النانوية المحولة للأعلى مفيدة لتطبيقات استشعار درجة الحرارة. استنادًا إلى حلول مخزون الجسيمات النانوية β - NaYF4 الأساسية: Er3 +، Yb3 + وتتضمن طريقة القالب اللين دون أي عملية إضافية لوظائف السطح، من الممكن تصميم جسيمات النانو β - NaYF4 الأساسية مباشرة: Er3 +، Yb3 +@ NaYF4، والتي يمكن تشتيتها تمامًا في الهكسان الحلقي والمواد الخافضة للتوتر السطحي مثل حمض الأوليك (OA) أو ثلاثي إيثانول أمين (TEA) أو بروميد سيتيل تريميثيلامونيوم (CTAB). تم التحقيق في الخصائص المورفولوجية والبلورية والعنصرية للعينات من خلال الفحص المجهري الإلكتروني لمسح الانبعاثات الميدانية، وانحراف الأشعة السينية، والفحص المجهري الإلكتروني عالي الدقة، وأنماط حيود الإلكترون المختارة، وقياسات طيف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX). أظهرت النتائج أن جسيمات NaYF4 المركبة:Er3+ وYb3 +@ NaYF4 النانوية الأساسية لها شكل كروي تقريبًا، وطور β سداسي نقي بحجم قلب يبلغ حوالي 35 ± 5 نانومتر وسماكة غلاف تبلغ حوالي 40 ± 5 نانومتر. لقد ثبت أن طلاء β - NaYF4: Er3 +، Yb3 + مع طبقة قشرة NaYF4 تمكن من تعزيز شدة انبعاث التحويل الصاعد الأخضر (UC) فيما يتعلق بالانبعاث الأحمر. تحت الإثارة 976 نانومتر، كشفت β - NaYF4 المخلقة:2 ٪Er3+، 19 ٪ Yb3 +@ NaYF4 جسيمات نانوية ذات صدفة أساسية عن ثلاثة نطاقات انبعاث قوية عند 520 نانومتر و 545 نانومتر و 650 نانومتر تتوافق مع 2H11/2 و 4S3/2 و 4F9/2 إلى 4I15/2 من أيونات Er3 + مع أعمار 215 و 193 و 474 ميكرو ثانية، على التوالي. أثبتت إحداثيات لونية CIE المحسوبة أن لون انبعاث الجسيمات النانوية الأساسية الصدفية قد تغير من الأحمر إلى الأخضر المصفر عند زيادة كثافة طاقة الليزر 976 نانومتر من 0.73 إلى 9.95 واط/سم 2. أشارت المنحدرات المحسوبة إلى أنه في β - NaYF4:2 ٪Er3+، 19 ٪ Yb3 +@NaYF4 تم إجراء الجسيمات النانوية الأساسية، فوتونين وثلاثة فوتون UC في وقت واحد. على الرغم من أن الأول مشابه كما في حالة β - NaYF4: Er3 +، Yb3 + الجسيمات النانوية الأساسية العارية، إلا أن الأخير، عملية UC ثلاثية الفوتون للانبعاثات الخضراء تحدث، بسبب عمليات الاسترخاء المتقاطع لاثنين من أيونات Er3 + فقط داخل الجسيمات النانوية ذات بنية الصدفة الأساسية. علاوة على ذلك، تم تحديد فرق الطاقة بين مستويات 2H11/2 و 4S3/2 والثابت المرتبط بشبكة مضيف NaYF4 @ NaYF4 ووصل إلى ~ 813 سم-1 و 14.27 (r2 = 0.998)، على التوالي. من أجل التحقيق في مدى ملاءمة الجسيمات النانوية لاستشعار درجة الحرارة البصرية، تم قياس أطياف الانبعاث في نطاق درجة حرارة واسعة من 158 إلى 298 كلفن. تم الحصول على قيمة عالية بشكل استثنائي من الحساسية النسبية عند 158 كلفن وبلغت 4.25 ٪ كلفن-1. أدت الزيادة الإضافية في درجة الحرارة إلى انخفاض تدريجي في الحساسية النسبية، ومع ذلك، فقد حافظت على قيمة عالية > 1 ٪ K -1 في نطاق درجة الحرارة الذي تم تحليله بالكامل.

Translated Description (French)

Cet article présente l'utilisation de la méthode du modèle souple pour synthétiser les nanoparticules de conversion ascendante noyau et noyau-coquille utiles pour les applications de détection de température. Sur la base des solutions mères de nanoparticules de noyau β-NaYF4 :Er3+,Yb3+ et impliquant une méthode de matrice souple sans aucun processus supplémentaire de fonctionnalisation de surface, il est possible de concevoir directement les nanoparticules de noyau β-NaYF4 :Er3+,Yb3+@NaYF4, qui peuvent être parfaitement dispersées dans le cyclohexane et des tensioactifs comme l'acide oléique (OA), la triéthanolamine (TEA) ou le bromure de cétyltriméthylammonium (CTAB). Les caractéristiques morphologiques, cristallines et élémentaires des échantillons ont été étudiées par microscopie électronique à balayage par émission de champ, diffraction des rayons X, microscopie électronique à transmission à haute résolution, modèles de diffraction électronique de zone sélectionnée et mesures par spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDX). Les résultats ont montré que les nanoparticules NaYF4 :Er3+,Yb3+@NaYF4 synthétisées ont une forme grossièrement sphérique, une phase β hexagonale pure avec une taille de noyau d'environ 35 ± 5 nm et une épaisseur de coque d'environ 40 ± 5 nm. Il a été montré que le revêtement du noyau β-NaYF4 :Er3+,Yb3+ avec la couche d'enveloppe NaYF4 permet d'améliorer les intensités d'émission de conversion ascendante verte (UC) par rapport au rouge. Sous excitation de 976 nm, les nanoparticules synthétisées β-NaYF4:2%Er3+,19%Yb3+@NaYF4 core-shell ont révélé trois bandes d'émission fortes à 520 nm, 545 nm et 650 nm correspondant aux transitions 2H11/2, 4S3/2 et 4F9/2 à 4I15/2 des ions Er3+ avec des durées de vie de 215, 193 et 474 µs, respectivement. Les coordonnées de chromaticité Cie calculées ont prouvé que la couleur d'émission des nanoparticules cœur-coquille a été changée du rouge au vert jaunâtre lors de l'augmentation de la densité de puissance du laser de 976 nm de 0,73 à 9,95 W/cm2. Les pentes calculées ont indiqué que dans les processus β-NaYF4:2%Er3+, 19%Yb3+@NaYF4 core-shell nanoparticles, two-photon and three-photon UC process ont eu lieu simultanément. Bien que le premier soit similaire comme dans le cas des nanoparticules à noyau nu β-NaYF4 :Er3+,Yb3+, le second, un processus UC à trois photons pour l'émission verte se produit, en raison des processus de relaxation croisée de deux ions Er3+ uniquement dans les nanoparticules avec une architecture noyau-coquille. De plus, la différence d'énergie entre les niveaux 2H11/2 et 4S3/2 et la constante associée du réseau hôte NaYF4@NaYF4 ont été déterminées et elles ont atteint ~ 813 cm-1 et 14,27 (r2 = 0,998), respectivement. Afin d'étudier l'aptitude des nanoparticules à la détection optique de la température, les spectres d'émission ont été mesurés dans une large gamme de températures allant de 158 à 298 K. Une valeur exceptionnellement élevée de sensibilité relative a été obtenue à 158 K et elle s'élevait à 4,25 % K-1. Une augmentation supplémentaire de la température a entraîné une diminution progressive de la sensibilité relative, cependant, elle a maintenu une valeur élevée > 1% k-1 dans toute la plage de température analysée.

Translated Description (Spanish)

Este documento presenta el uso del método de plantilla blanda para sintetizar nanopartículas de conversión ascendente de núcleo y núcleo-cubierta útiles para aplicaciones de detección de temperatura. Con base en las soluciones madre de nanopartículas de núcleo β-NaYF4:Er3+,Yb3+ e involucrando el método de plantilla blanda sin ningún proceso adicional de funcionalización de la superficie, es posible diseñar directamente las nanopartículas de núcleo-corteza β-NaYF4:Er3+,Yb3+@NaYF4, que se pueden dispersar perfectamente en ciclohexano y tensioactivos como ácido oleico (OA), trietanolamina (TEA) o bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB). Las características morfológicas, cristalinas y elementales de las muestras se investigaron mediante microscopía electrónica de barrido de emisión de campo, difracción de rayos X, microscopía electrónica de transmisión de alta resolución, patrones de difracción de electrones de área seleccionada y mediciones de espectroscopía de rayos X dispersiva de energía (edX). Los resultados mostraron que las nanopartículas de núcleo-corteza de NaYF4:Er3+,Yb3+@NaYF4 sintetizadas tienen una forma aproximadamente esférica, fase β hexagonal pura con un tamaño de núcleo de aproximadamente 35 ± 5 nm y un espesor de corteza de aproximadamente 40 ± 5 nm. Se ha demostrado que el recubrimiento del núcleo β-NaYF4:Er3+,Yb3+ con la capa de cubierta de NaYF4 permite mejorar las intensidades de emisión de conversión ascendente verde (UC) con respecto al rojo. Bajo excitación de 976 nm, las nanopartículas de núcleo-corteza de β-NaYF4 sintetizadas:2%Er3+, 19%Yb3+@NaYF4 revelaron tres fuertes bandas de emisión a 520 nm, 545 nm y 650 nm correspondientes a las transiciones 2H11/2, 4S3/2 y 4F9/2 a 4I15/2 de iones Er3+ con las vidas útiles de 215, 193 y 474 µs, respectivamente. Las coordenadas de cromaticidad CIE calculadas demostraron que el color de emisión de las nanopartículas de núcleo-cubierta cambió de rojo a verde amarillento al aumentar la densidad de potencia del láser de 976 nm de 0,73 a 9,95 W/cm2. Las pendientes calculadas indicaron que en las nanopartículas de núcleo-corteza de β-NaYF4:2%Er3+, 19%Yb3+@NaYF4, los procesos de UC de dos y tres fotones tuvieron lugar simultáneamente. Aunque el primero es similar al caso de las nanopartículas de núcleo desnudo β-NaYF4:Er3+,Yb3+, el segundo es un proceso de UC de tres fotones para la emisión verde, debido a procesos de relajación cruzada de dos iones Er3+ solo dentro de nanopartículas con arquitectura núcleo-cubierta. Además, se determinó la diferencia de energía entre los niveles de 2H11/2 y 4S3/2 y la constante asociada de la red del huésped NaYF4@NaYF4 y alcanzaron ~ 813 cm-1 y 14.27 (r2 = 0.998), respectivamente. Con el fin de investigar la idoneidad de las nanopartículas para la detección óptica de temperatura, los espectros de emisión se midieron en un amplio rango de temperatura de 158 a 298 K. Se obtuvo un valor excepcionalmente alto de sensibilidad relativa a 158 K y ascendió a 4.25% K-1. Un aumento adicional de la temperatura dio como resultado una disminución gradual de la sensibilidad relativa, sin embargo, mantuvo un valor alto > 1% K-1 en todo el rango de temperatura analizado.

Files

s41598-020-71606-6.pdf.pdf

Files (5.4 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:7c83bfb73ec9b2ff13abb292b009a35a
5.4 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تصنيع وتوصيف β - NaYF4 المحول لأعلى:Er3+،Yb3+@NaYF4 الجسيمات النانوية الأساسية لتطبيقات استشعار درجة الحرارة
Translated title (French)
Fabrication et caractérisation de nanoparticules β-NaYF4 :Er3+,Yb3+@NaYF4 à conversion ascendante pour des applications de détection de température
Translated title (Spanish)
Fabricación y caracterización de nanopartículas de núcleo-corteza de conversión ascendente β-NaYF4:Er3+,Yb3+@NaYF4 para aplicaciones de detección de temperatura

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3083659562
DOI
10.1038/s41598-020-71606-6

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Vietnam

References

  • https://openalex.org/W142139639
  • https://openalex.org/W1983207998
  • https://openalex.org/W1987935423
  • https://openalex.org/W2015453746
  • https://openalex.org/W2023534516
  • https://openalex.org/W2064023858
  • https://openalex.org/W2087684733
  • https://openalex.org/W2100408517
  • https://openalex.org/W2111886201
  • https://openalex.org/W2121826767
  • https://openalex.org/W2315665240
  • https://openalex.org/W2384567796
  • https://openalex.org/W2523694700
  • https://openalex.org/W2525043001
  • https://openalex.org/W2568546760
  • https://openalex.org/W2577697868
  • https://openalex.org/W2599780708
  • https://openalex.org/W2601973448
  • https://openalex.org/W2605014222
  • https://openalex.org/W2730970143
  • https://openalex.org/W2766094542
  • https://openalex.org/W2782386304
  • https://openalex.org/W2790345290
  • https://openalex.org/W2793835628
  • https://openalex.org/W2794474833
  • https://openalex.org/W2797485578
  • https://openalex.org/W2864576620
  • https://openalex.org/W2883535917
  • https://openalex.org/W2888147339
  • https://openalex.org/W2895273042
  • https://openalex.org/W2900472827
  • https://openalex.org/W2900857890
  • https://openalex.org/W2912645361
  • https://openalex.org/W2921597980
  • https://openalex.org/W2938842166
  • https://openalex.org/W4236982346