Upconversionmateriaalit

Upconversionmateriaalit ovat aineita, jotka muuttavat alhaisen energian fotoneja korkeampien energioiden fotoneiksi. Tavallisesti ne koostuvat lanthanoidioneista sijoitettuna kiderakenteeseen, ja niiden emisio tapahtuu anti-Stokes-luminesenssillä, kun ne hetken altistetaan esimerkiksi noin 900–1000 nm:n säteilylle. Yleinen toimintaperiaate perustuu sensitizer-aktivator -pariin: sensitori (esim. Yb3+) absorboi infrapunasäteilyä ja siirtää energiaa aktivatorioneille (esim. Er3+,Tm3+,Ho3+), jolloin useiden energriansiirtojen jälkeen syntyy näkyvää tai lähi-IR-emissiota.

Mekaanisesti upconversionin kärjessä ovat energian siirto upconversion (ETU) -prosessi ja toisinaan excited-state absorption (ESA). Yleisimmät isäntäaineet ovat fluoridi NaYF4, NaGdF4 ja Y2O3, joita käytetään alhaisten fosfonien ja vähäisen ei-radikaalisen rikkoutuvan energiankulutuksen vuoksi. Doping-yhdistelmät kuten NaYF4:Yb3+,Er3+ tai NaYF4:Yb3+,Tm3+ tuottavat eriytyviä emisioita: Er3+ antaa vihreän (noin 520–540 nm) ja punaisen (noin 650 nm) säteilyn, Tm3+ sinisen/ultra-viinin säteet jne.

Valmistusmenetelmät sisältävät hydro- tai solvotermisen kasvun, coprecipitationin sekä lämpödekompositionin. Core-shell-arkkitehtuurit parantavat kvanttisiirtöitä ja estävät pinnankäytön quenching-menetysten vaikutuksia. Pintakäsittelyllä voidaan tehdä vesiliukoisia ja biokompatibiliteettisia UCNP-nanopartikkeleita.

Sovellukset kattavat biolääketieteellisen kuvantamisen, fotodynaamisen terapian, aurinkokennojen lisättyyn tehokkuuteen tähtäävät järjestelmät sekä tunnistus- ja anti-salakulutustekniikat. Haasteita ovat usein alhainen upconversion-kvanttituotto ja tarve voimakkaalle 980 nm laserille, joiden parantamiseksi tutkijat kehitttävät parempia isäntäaineita, korkeampia dopingeja sekä tehokkaampia core-shell-rakenteita.