DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-57622-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40069158
تاريخ النشر: 2025-03-11
المؤلف: Jinshu Huang وآخرون
الموضوع الرئيسي: خصائص اللمعان للمواد المتقدمة
نظرة عامة
تقدم البحث نهجًا جديدًا لتحقيق اللمعان القابل للتبديل بالألوان الكاملة في المواد القائمة على اللانثانيد تحت تحفيز بزاوية واحدة، باستخدام ليزر بزاوية 980 نانومتر. يتم تحقيق ذلك من خلال هيكل نانوي متعدد الطبقات ذو نواة وقشرة يسهل التحكم الزمني في عمليات التحويل. يبرز الدراسة تأثير التعديل التعاوني في نظام إير-تم-يير، مما يمكّن من الانتقال من اللون الأحمر إلى الأخضر من أيونات Er³⁺ وعزل انبعاثات الضوء الأزرق من أيونات Tm³⁺ عبر تقنية التحكم الزمني. تؤكد النتائج على الدور المحوري لـ Tm³⁺ في التأثير على ديناميات الانتقال العلوي لـ Er³⁺، مما يوفر رؤى قيمة في الفيزياء الضوئية لللانثانيد.
تتيح القدرة على التحكم في ألوان الانبعاث دون الحاجة إلى عدة أطوال موجية للتحفيز تبسيط تصميم الأنظمة اللمعانية، والتي كانت تتطلب تقليديًا تكوينات معقدة لتجنب التداخل الطيفي بين الطبقات المختلفة. لا تعزز هذه التطورات الخصائص البصرية لمواد اللانثانيد فحسب، بل توسع أيضًا من قابليتها للتطبيق في مجالات متقدمة مثل أمن المعلومات، والذاكرة الضوئية، والنانو-كوسكوب الفائق الدقة، والبيوفوتونيكس. وبالتالي، يساهم البحث بشكل كبير في تطوير مواد لامعة ذكية من الجيل التالي للتطبيقات الضوئية الناشئة.
طرق
في قسم الطرق، يوضح المؤلفون المواد المستخدمة في بحثهم، والتي تشمل مجموعة متنوعة من هيدرات الأسيتات للأرض النادرة مثل هيدرات أسيتات إيربيوم (III)، هيدرات أسيتات ييربيوم (III)، هيدرات أسيتات ثوليوم (III)، هيدرات أسيتات إيتريوم (III)، هيدرات أسيتات هولميوم (III)، وهيدرات أسيتات سيريام (III)، جميعها مصدرها من سيغما-ألدريش مع نقاوة تتراوح من 99.9% إلى 99.99%. بالإضافة إلى ذلك، تم تضمين حمض الأوليك و1-أوكتاديسين، كلاهما بنقاوة 90%. يحدد القسم أيضًا استخدام هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) وفلوريد الأمونيوم (NH₄F)، كلاهما بنقاوة تتجاوز 98%. تم استخدام جميع المواد كما تم استلامها ما لم يُذكر خلاف ذلك، مما يضمن سلامة الإجراءات التجريبية.
نتائج
في هذه الدراسة، بحثنا في التحكم الزمني في انبعاثات التحويل القابلة للتبديل بالألوان الحمراء/الخضراء من أيونات Er$^{3+}$، باستخدام طريقة ترسيب مشترك معدلة لتخليق جزيئات نانوية من NaYF$_4$:Er/Tm/Yb@NaYF$_4$ ذات نواة وقشرة. كشف ملف الانبعاث تحت تحفيز 980 نانومتر عن حزامين أخضرين متجاورين وحزام أحمر، حيث أظهر الانبعاث الأخضر وقت ارتفاع أسرع من الأحمر. من خلال إدخال Tm$^{3+}$، سهلنا عمليات نقل الطاقة التي عززت الانبعاث الأحمر، مما سمح بالتعديل الدينامي لألوان الانبعاث بناءً على عرض نبضة التحفيز. بشكل محدد، مكنت نسبة التخصيب 15Er:0.5Tm:40Yb (مول%) من الانتقال من الانبعاثات الحمراء إلى الخضراء مع انخفاض عرض النبضة من أكثر من 8 مللي ثانية إلى 0.05 مللي ثانية.
أظهر التحليل الإضافي أن اختلافات وقت الارتفاع في الانبعاثات ناتجة عن آليات تحويل مختلفة، حيث نشأ الانبعاث الأخضر من نقل الطاقة المباشر من Yb$^{3+}$ إلى Er$^{3+}$، بينما تطلب الانبعاث الأحمر تهيئة الحالة الوسيطة عبر Tm$^{3+}$. كما أبرزت الدراسة دور Tm$^{3+}$ وYb$^{3+}$ في التلاعب بديناميات الارتفاع والانخفاض لانبعاثات Er$^{3+}$، مؤكدة إمكانية تحقيق ضبط كامل للألوان باستخدام طول موجي واحد للتحفيز. سمح الدمج الناجح لهذه النتائج في هيكل نواة وقشرة متعدد الطبقات بإخراج ألوان RGB من خلال أوضاع تحفيز محكومة، مما يمهد الطريق لتطبيقات مبتكرة في علم البصريات وتقنيات مكافحة التزوير.
نقاش
في هذه الدراسة، تم تقديم نموذج مفاهيمي جديد لتحقيق ضبط كامل للألوان من جزيء نانوي واحد باستخدام تحفيز بزاوية 980 نانومتر. يبرز البحث فعالية التحكم في ديناميات الانتقال العلوي والانخفاض للمنبعثات التقليدية من اللانثانيد، وخاصة Er$^{3+}$ وTm$^{3+}$، لإنتاج مخرجات قابلة للتبديل بالألوان. من الجدير بالذكر أن التحقيق كشف عن أدوار جديدة لأيونات اللانثانيد في التلاعب بديناميات اللمعان ونقل الطاقة عبر الشبكة الفرعية لللانثانيد، مما يتحدى التصورات الحالية حول هذه الأيونات. تعتبر النتائج مهمة لتصميم جزيئات نانوية منبعثة بالألوان الكاملة تهدف إلى الشاشات الحجمية وتقترح تقدمًا محتملاً في تصغير الأجهزة وتطوير مواد ذكية للتطبيقات في أمن المعلومات، والأجهزة المرنة، والليزر القابلة لضبط الطول الموجي.
تم تحقيق تخليق الجزيئات النانوية ذات النواة والقشرة من خلال طريقة ترسيب مشترك معدلة، حيث تم إنتاج جزيئات MLCS النانوية من خلال دمج تقنيات الترسيب المشترك والتحلل الحراري. شمل توصيف الجزيئات النانوية استخدام مجهر إلكتروني ناقل بدقة منخفضة وعالية، وتحليل الطيف بالأشعة السينية المشتتة للطاقة، وتحليل الأشعة السينية بالمسحوق، مما أكد على سلامة الهيكل وتركيب المواد التي تم تخليقها. تم تسجيل طيف الانبعاثات التحويلية والأشعة تحت الحمراء باستخدام مطياف الفلورية، وتم تحليل منحنيات الانخفاض لتحديد قيم العمر، مما يوفر فهمًا شاملاً للخصائص اللمعانية للجزيئات النانوية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-57622-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40069158
Publication Date: 2025-03-11
Author(s): Jinshu Huang et al.
Primary Topic: Luminescence Properties of Advanced Materials
Overview
The research presents a novel approach to achieving full-color switchable luminescence in lanthanide-based materials under single-wavelength excitation, specifically using a 980-nm laser. This is accomplished through a multi-layer core-shell nanostructure that facilitates the temporal control of upconversion processes. The study highlights the cooperative modulation effect in the Er-Tm-Yb triple system, enabling a red-to-green color transition from Er³⁺ ions and the isolation of blue light emissions from Tm³⁺ ions via a time-gating technique. The findings underscore the pivotal role of Tm³⁺ in influencing the up-transition dynamics of Er³⁺, providing valuable insights into the photophysics of lanthanides.
The ability to manipulate emission colors without the need for multiple excitation wavelengths simplifies the design of luminescent systems, which has traditionally required complex configurations to avoid spectral cross-talk among different layers. This advancement not only enhances the optical properties of lanthanide materials but also broadens their applicability in cutting-edge fields such as information security, optical memory, super-resolution nanoscopy, and biophotonics. The study thus contributes significantly to the development of next-generation smart luminescent materials for emerging photonic applications.
Methods
In the Methods section, the authors detail the materials utilized in their research, which include various rare earth acetate hydrates such as erbium (III) acetate hydrate, ytterbium (III) acetate hydrate, thulium (III) acetate hydrate, yttrium (III) acetate hydrate, holmium (III) acetate hydrate, and cerium (III) acetate hydrate, all sourced from Sigma-Aldrich with purities ranging from 99.9% to 99.99%. Additionally, oleic acid and 1-octadecene, both at 90% purity, were included in the materials list. The section also specifies the use of sodium hydroxide (NaOH) and ammonium fluoride (NH₄F), both with purities exceeding 98%. All materials were used as received unless otherwise indicated, ensuring the integrity of the experimental procedures.
Results
In this study, we investigated the temporal control of red/green color-switchable upconversion emissions from Er$^{3+}$ ions, utilizing a modified co-precipitation method to synthesize NaYF$_4$:Er/Tm/Yb@NaYF$_4$ core-shell nanoparticles. The emission profile under 980 nm excitation revealed two adjacent green bands and a red band, with the green emission exhibiting a faster rise time than the red. By introducing Tm$^{3+}$, we facilitated energy transfer processes that enhanced the red emission, allowing for dynamic modulation of emission colors based on the excitation pulse width. Specifically, a doping ratio of 15Er:0.5Tm:40Yb (mol%) enabled a transition from red to green emissions as the pulse width decreased from over 8 ms to 0.05 ms.
Further analysis demonstrated that the rise time differences in emissions stemmed from distinct upconversion mechanisms, with green emission arising from direct energy transfer from Yb$^{3+}$ to Er$^{3+}$, while red emission required pre-population of the intermediate state via Tm$^{3+}$. The study also highlighted the role of Tm$^{3+}$ and Yb$^{3+}$ in manipulating the rise and decay dynamics of Er$^{3+}$ emissions, confirming the potential for achieving full-color tuning with a single excitation wavelength. The successful integration of these findings into a multi-layer core-shell structure allowed for RGB color outputs through controlled excitation modes, paving the way for innovative applications in photonics and anti-counterfeiting technologies.
Discussion
In this study, a novel conceptual model for achieving full-color tuning from a single nanoparticle using 980 nm wavelength excitation has been presented. The research highlights the effectiveness of controlling the up-transition and decay dynamics of conventional lanthanide emitters, specifically Er$^{3+}$ and Tm$^{3+}$, to produce color-switchable outputs. Notably, the investigation revealed new roles for lanthanide ions in manipulating luminescence dynamics and energy transport across the lanthanide sublattice, challenging existing perceptions of these ions. The findings are significant for the design of full-color emissive nanoparticles aimed at volumetric displays and suggest potential advancements in device miniaturization and the development of smart materials for applications in information security, flexible devices, and wavelength-tunable lasers.
The synthesis of core and core-shell nanoparticles was achieved through a modified co-precipitation method, with MLCS nanoparticles produced by integrating coprecipitation and thermal decomposition techniques. Characterization of the nanoparticles involved low- and high-resolution transmission electron microscopy, energy-dispersive X-ray spectroscopy, and powder X-ray diffraction, confirming the structural integrity and composition of the synthesized materials. The upconversion and infrared emission spectra were recorded using a spectrofluorometer, and decay curves were analyzed to determine lifetime values, providing a comprehensive understanding of the luminescent properties of the nanoparticles.