Effect on the up-conversion emission of Li⁺ doping of Y₂O₃:Ybᶾ+/Erᶾ+ nanoparticlesristalino

Abstract

O aumento da emissão visível sob excitação no infravermelho-próximo (processo de conversão ascendente de energia) em nanopartículas de Y2O3: Yb3+/Er3+/Li+ é investigado e quantificado. Usam-se os métodos de co-precipitação e reação de estado sólido, para lograr a incorporação efetiva de Li+ na rede do hospedeiro Y2O3. Apesar de frequentemente reportado na literatura, o método de co-precipitação não permite incorporar Li+ nas nanopartículas, como revelado pela análise elementar. O método de reação de estado sólido permite uma dopagem efetiva das nanopartículas de Y2O3: Yb3+/Er3+ com Li+. As medidas de luminescência revelam que o rendimento quântico de emissão (q) das nanopartículas aumenta com o aumento da concentração de Li+ até 12,3% molar, sendo os valores q máximos observados para 4,8 e 12,3% molar. Os difractogramas de raios X (XRD) de pós mostram que as amostras são cristalinas, não contendo fases secundárias. O refinamento de Rietveld dos dados de XRD de pós não evidencia a incorporação de iões de Li+ na rede hospedeira. No entanto, a espectrometria de emissão atómica por plasma acoplado indutivamente (ICP-AES) e a espectroscopia de fotoeletrões excitados por raios-X (XPS) confirmam que as nanopartículas preparadas por via de reação de estado sólido contêm lítio. Por outro lado, a análise termogravimétrica não mostra uma alteração de massa significativa até 800 °C, o que contraria o argumento frequentemente utilizado segundo o qual o aumento da conversão ascendente de energia se deve à diminuição do número de grupos OH presentes na amostra. O tamanho e a forma das nanopartículas são avaliados por microscopia eletrónica de transmissão e estão de acordo com o tamanho de cristalites obtido por XRD usando a equação de Scherrer, sugerindo que as nanopartículas são monocristais. Verifica-se, ainda, que o tamanho das partículas aumenta com o aumento a concentração de Li+. Além do aumento dos rendimentos quânticos por dopagem com iões Li+, a relação de intensidades de emissão vermelho/verde pode ser ajustada. Estes materiais podem ser promissores para bio-aplicações e para sensores de temperatura.

Near infrared-to-visible up-conversion emission enhancement in Y2O3: Yb3+/Er3+/Li+ nanoparticles is investigated and quantified. Co-precipitation and solid-state reaction routes are investigated to achieve an effective incorporation of Li+ in the Y2O3 host lattice. Despite numerous reports in the literature, the co-precipitation method does not allow the Li+ incorporation in the nanoparticles, as revealed by elemental analysis. Solid-state reaction route is shown to be suitable for an effective Li+ doping of Y2O3: Yb3+/Er3+ nanoparticles. Luminescence measurements reveal that the emission quantum yield (q) of the nanoparticles increases with increasing Li+ content up to 12.3 mol%, with the highest q values observed for 4.8 and 12.3 mol%. Powder X-ray diffraction (XRD) patterns show that the samples are crystalline and do not contain secondary phases. Rietveld refinement of powder XRD data does not evidence the incorporation of Li+ in the host lattice. However, inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirm that the nanoparticles prepared by the solid-state reaction route contain lithium. In addition, thermogravimetric analysis shows no significant weight change up to 800 °C, which does not support the often used argument that the up-conversion photoluminescence enhancement is due to the decrease in the number of OH-groups present in the sample. The size and shape of the nanoparticles are assessed by transmission electron microscopy and are in accord with the crystallite size obtained from XRD using Scherrer’s equation, suggesting that the nanoparticles are single crystals. Moreover, the particle size increases with increasing Li+ concentration. In addition to the enhancement of quantum yields by Li+ doping, the red/green emission intensity ratio can be controlled. These materials may be promising for bio-application and for temperature sensors.