Radiative Behaviour of Gd2O3:Er/Yb nanoparticles under near infrared illumination

Abstract

Upconverting nanoparticles have attracted much attention in science recently, specifically in view of medical and biological applications such as live imaging of cell temperatures or cancer treatment. The previously studied system of gadolinium oxide nanorods co-doped with erbium and ytterbium and decorated with different number densities of gold nanoparticles has been studied. So far, these particles have been proven as efficient nanothermometers in a temperature range from 300 up to 2000 K. In this work, a more detailed study on the morphological and radiative behaviour of these particles has been conducted. It was found that the laser power threshold for the onset of the black body radiation decreases strongly with the increase in the gold concentration. The temperature of the onset itself seems to remain approximately constant. The heating efficiency was determined to increase significantly with the gold concentration. The morphological study revealed that the temperature at the black body radiation threshold was not enough to induce any significant transformation in neither the nanorods nor the gold nanoparticles, as was expected from comparison with literature. However, significant changes in radiative properties and the morphology were detected for powders that underwent strong laser heating until the emission of brightly visible black body radiation.

Nanopartículas mostrando conversão ascendente de energia têm atraído recentemente muita atenção, sobretudo tendo em vista aplicações médicas e biológicas, tais como o mapeamento in vivo da temperatura intercelular ou o desenvolvimento de técnicas de diagnóstico de doenças cancerosas. O sistema estudado anteriormente de nanobastões de óxido de gadolínio co-dopados com érbio e itérbio e decorados com nanopartículas de ouro mostrou potencialidades como nanotermómetro eficaz numa gama de temperatura desde os 300 até aos 2000 K. Neste trabalho, um estudo mais detalhado do comportamento morfológico e radiativo destas partículas foi realizado. Verificou-se que o limiar de potência de laser para o início da radiação de corpo negro diminui fortemente com o aumento da concentração de ouro. A temperatura correspondente ao limiar do processo de emissão de corpo negro parece manter-se aproximadamente constante, independentemente da concentração de ouro à superfície dos nanobastões. A eficiência de aquecimento foi determinada, tendo-se mostrado que ela aumenta significativamente com a concentração de ouro. A análise morfológica aos nanobast˜oes revelou que a temperatura no limiar da radiação do corpo negro não é suficiente para induzir transformação significativas nem os nanobastões nem nas nanopartículas de ouro, como era de esperar partir da comparação com a literatura. No entanto, foram detetadas alterações significativas nas propriedades radiativas e na morfologia dos nanobastões decorados com a s nanopartículas de ouro que foram submetidos a forte aquecimento induzido pela excitação laser.