TỔNG HỢP VÀ TÍNH CHẤT CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ QUANG HỌC  CỦA VẬT LIỆU ZrO2: Er-Yb-Mo

Nguyễn Sỹ Võ; Vũ Tuấn Anh; Hoàng Tuấn Nam; Lê Tiến Hà; Hoàng Như Vân

doi:10.34238/tnu-jst.5000

TỔNG HỢP VÀ TÍNH CHẤT CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ QUANG HỌC CỦA VẬT LIỆU ZrO2: Er-Yb-Mo

Thông tin bài báo

Ngày nhận bài: 11/09/21 Ngày hoàn thiện: 08/11/21 Ngày đăng: 08/11/21

Các tác giả

1. Nguyễn Sỹ Võ , Trường Đại học Sư phạm Hà Nội
2. Vũ Tuấn Anh, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội
3. Hoàng Tuấn Nam, Trường Trung học Phổ thông Lương Sơn - Hòa Bình
4. Lê Tiến Hà, Trường Đại học Khoa học – ĐH Thái Nguyên
5. Hoàng Như Vân, Trường Đại học Phenikaa; Viện Nghiên cứu và Công nghệ Phenikaa - A&A Green Phoenix Group

Tóm tắt

Vật liệu ZrO₂: 1Er-10Yb-xMo (x= 0 và 3% mol) được tổng hợp thành công bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp với xử lý nhiệt ở 1000 ℃ trong 1 giờ. Cấu trúc, hình thái bề mặt và tính chất phát quang chuyển đổi ngược của vật liệu được nghiên cứu chi tiết. Kết quả giản đồ tia X cho thấy, vật liệu ZrO₂: Er-Yb-Mo tồn tại ở pha tetragonal, sự pha tạp Mo⁶⁺vào mạng nền ZrO₂ đã gây ra sự chuyển pha từ monoclinic sang tetragonal. Ảnh hiển vi điện tử quét phát xạ trường cho thấy vật liệu có kích thước hạt trung bình cỡ 200 nm và các hạt cho thấy sự kết tụ với nhau, đây là kết quả của việc xử lý mẫu ở nhiệt độ cao. Khi được kích thích bởi bước sóng 975 nm, vật liệu ZrO₂: Er-Yb-Mo cho phát xạ chuyển đổi ngược tại 2 vùng: vùng màu xanh da trời (520/560 nm) có cường độ mạnh và vùng màu đỏ (680 nm) có cường độ yếu, tương ứng với các chuyển mức ²H_11/2, ⁴S_3/2– ⁴I_15/2và ⁴F_9/2– ⁴I_15/2của ion Er³⁺. Điều đặc biệt, khi pha tạp Mo⁶⁺ vào vật liệu ZrO₂: Er-Yb làm tăng cường phát xạ màu xanh lên 9 lần cũng như điều khiển vùng phát xạ của vật liệu. Hơn nữa, vật liệu cho thấy độ nhạy nhiệt độ cao (1,23% K^-1) ở 303 K, và độ bền nhiệt tuyệt vời. Các kết quả cho thấy, vật liệu ZrO₂: Er-Yb-Mo có tiềm năng ứng dụng chế tạo cảm biến nhiệt độ quang học.

Từ khóa

Cảm biến nhiệt độ quang học; Phương pháp thủy nhiệt; Phát quang chuyển đổi ngược; Cảm biến nhiệt độ; ZrO2

Toàn văn:

PDF

Tài liệu tham khảo

[1] K. Trejgis, A. Bednarkiewicz, and L. Marciniak, “Engineering excited state absorption based nanothermometry for temperature sensing and imaging,” Nanoscale, vol. 12, pp. 4667-4675, 2020, doi: 10.1039/c9nr09740f.

[2] X. Li, L. Guan, Y. Li, H. Sun, Q. Zhang, and X. Hao, “Optical control of Er³⁺-doped M_0.5Bi_2.5Nb₂O₉(M = Li, Na, K) materials for thermal stability and temperature sensing using photochromic reactions,” J. Mater. Chem. C, vol. 8, pp. 15685-15696, 2020, doi: 10.1039/d0tc03894f.

[3] D. Stefańska, B. Bondzior, T. H. Q. Vu, N. Miniajluk-Gaweł, and P. J. Dereń, “The influence of morphology and Eu³⁺ concentration on luminescence and temperature sensing behavior of Ba₂MgWO₆ double perovskite as a potential optical thermometer,” J. Alloys Compd, vol. 842, pp. 3-12, 2020, doi: 10.1016/j.jallcom.2020.155742.

[4] J. Zhang, J. Chen, and Y. Zhang, “Temperature-sensing luminescent materials La_9.67Si₆O_26.5:Yb³⁺-Er³⁺/Ho³⁺based on pump-power-dependent upconversion luminescence,” Inorg. Chem. Front, vol. 7 pp. 4892-4901, 2020, doi: 10.1039/d0qi01058h.

[5] P. Liu, J. Liu, Y. Zhang, Z. Xia, and Y. Xu, “Morphology controlled synthesis of Ba₄Bi₃F₁₇:Er³⁺,Yb³⁺ and the dual-functional temperature sensing and optical heating applications,” J. Alloys Compd, vol. 844, 2020, Art. no. 156116, doi: 10.1016/j.jallcom.2020.156116.

[6] X. Chai, J. Li, X. Wang, Y. Li, and X. Yao, “Upconversion luminescence and temperature-sensing properties of Ho³⁺/Yb³⁺-codoped ZnWO₄ phosphors based on fluorescence intensity ratios,” RSC Adv, vol. 7, pp. 40046-40052, 2017, doi: 10.1039/c7ra05846b.

[7] X. Cheng, X. Dong, K. Peng, H. Zhang, Y. Su, and L. Jiang, “Upconversion Luminescence and Optical Temperature-Sensing Properties of LaNbO₄:Yb³⁺/Er³⁺ Phosphors,” J. Electron. Mater, vol. 49, pp. 518-523, 2020, doi: 10.1007/s11664-019-07776-5.

[8] J. Liu, W. Huang, Z. Xia, and Y. Xu, “Facile synthesis of accordion-like Y₂O₃:Er³⁺nanothermometers for ratiometric temperature sensing applications,” J. Lumin, vol. 223, 2020, Art. no. 117207, doi: 10.1016/j.jlumin.2020.117207.

[9] D. T. T. Dung, H. N. Van, V. T. N. Minh, N. X. Truong, P. V. Huan, B. T. Hoan, P. H. Vuong, L. M. Tu, and N. D. Hung, “Dual-mode green emission and temperature sensing properties of rare-earth-element-doped biphasic calcium phosphate composites,” J. Alloys Compd, vol. 871, 2021, Art. no. 159483, doi: 10.1016/j.jallcom.2021.159483.

[10] K. Li, D. Zhu, and H. Lian, “Up-conversion luminescence and optical temperature sensing properties in novel KBaY(MoO₄)₃:Yb³⁺,Er³⁺ materials for temperature sensors,” J. Alloys Compd, vol. 816, 2020, Art. no. 152554, doi: 10.1016/j.jallcom.2019.152554.

[11] L. Nie, J. Suo, P. Zou, and S. Feng, “Preparation and properties of biphasic calcium phosphate scaffolds multiply coated with HA/PLLA nanocomposites for bone tissue engineering applications,” J. Nanomater, 2012, doi: 10.1155/2012/213549.

[12] Y. Tong, W. N. Zhang, R. F. Wei, L. P. Chen, and H. Guo, “Na₂YMg₂(VO₄)₃:E^r3+,Yb³⁺phosphors: Up-conversion and optical thermometry,” Ceram. Int, vol. 47, pp. 2600-2606, 2021, doi: 10.1016/j.ceramint.2020.09.106.

[13] G. Chen, H. Ågren, T. Y. Ohulchanskyy, and P. N. Prasad, “Light upconverting core-shell nanostructures: Nanophotonic control for emerging applications,” Chem. Soc. Rev, vol. 44, pp. 1680-1713, 2015, doi: 10.1039/c4cs00170b.

[14] F. He, L. Feng, P. Yang, B. Liu, S. Gai, G. Yang, Y. Dai, and J. Lin, “Enhanced up/down-conversion luminescence and heat: Simultaneously achieving in one single core-shell structure for multimodal imaging guided therapy,” Biomaterials, vol. 105, pp. 77-88, 2016, doi: 10.1016/j.biomaterials.2016.07.031.

[15] H. N. Van, P. Van Huan, D. H. Nguyen, N. H. Vu, and V. H. Pham, “Up/Down-Conversion Luminescence of Er³⁺ Doped ZrO₂·Al₂O₃ Powder,” J. Electron. Mater, vol. 48, pp. 8054-8060, 2019, doi: 10.1007/s11664-019-07644-2.

[16] G. Chen, G. Somesfalean, Y. Liu, Z. Zhang, Q. Sun, and F. Wang, “Upconversion mechanism for two-color emission in rare-earth-ion-doped ZrO₂nanocrystals,” Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics, vol. 75, 2007, Art. no. 195204, doi: 10.1103/PhysRevB.75.195204.

[17] Y. Xia, J. Shi, Q. Sun, D. Wang, X. Zeng, J. Wang, and J. Chen, “Controllable synthesis and evolution mechanism of monodispersed Sub- 10 nm ZrO₂nanocrystals,” Chemi. Eng. J, vol. 394, 2020, Art. no. 124843, doi: 10.1016/j.cej.2020.124843.

[18] C. Minh and H. Chen, “Single colour luminescence In R³⁺/Yb³⁺/W⁶⁺(R=Tm, Ho, Er)-Doped ZrO₂Nanoparticles,” J. Mod. Opt, vol. 67, pp. 537-541, 2020, doi:10.1080/09500340.2020.1762007.

[19] J. Zhou, R. Lei, H. Wang, C. Chen, B. Chen, E. Pan, and S. Zhao, “Er³⁺/Yb³⁺-Codoped ZrO₂ Nanocrystals as Ratiometric Luminescence Nanothermometers that Cover Three Biological Windows,” ACS Appl. Nano Mater, vol. 3, pp. 186-194, 2020, doi: 10.1021/acsanm.9b01895.

[20] L. Pihlgren, T. Laihinen, L. Rodrigues, S. Carlson, K. Eskola, A. Kotlov, M. Lastusaari, T. Soukka, H. Brito, and J. Hölsä, “On the mechanism of persistent up-conversion luminescence in the ZrO₂:Yb³⁺,Er³⁺ nanomaterials,” Opt. Mater, vol. 36, pp. 1698-1704, 2014, doi: 10.1016/j.optmat.2014.01.027.

[21] I. A. A. Terra, L. J. Borrero-González, J. M. Carvalho, M. C. Terrile, M. C. F. C. Felinto, H. F. Brito, and L. A. O. Nunes, “Spectroscopic properties and quantum cutting in Tb³⁺–Yb³⁺ co-doped ZrO₂ nanocrystals nanocrystals,” J. Appl. Phys, vol. 113, 2013, Art. no. 073105, doi: 10.1063/1.4792743.

[22] T. Yamamoto and A. Kurimoto, “Ga ion-doped ZrO₂ Catalyst Characterized by XRD, XAFS, and 2-Butanol Decomposition,” Anal. Sci, vol. 10, pp. 41-46, 2020, doi: 10.2116/analsci.19SAP03.

[23] L. Z. Z. Xingshuang Zhang, D. Xu, G. Zhou, X. Wang, H. Liu, Z. Yu, and G. Zhang, “Color Tunable Up-conversion Emission from ZrO₂: Er³⁺, Yb³⁺ Textile Fibers,” RSC Adv, vol 6, pp.103973-103980, 2016, doi: 10.1039/C6RA20388D.

[24] H. N. Van, P. D. Tam, N. D. T. Kien, P. T. Huy, and V. H. Pham, “Enhancing the luminescence of Eu³⁺/Eu²⁺ ion-doped hydroxyapatite by fluoridation and thermal annealing,” Luminescence, vol. 32 pp. 817-823, 2017, doi: 10.1002/bio.3257.

[25] H. Zhang, S. Zhao, X. Wang, X. Ren, J. Ye, L. Huang, and S. Xu, “The enhanced photoluminescence and temperature sensing performance in rare earth doped SrMoO₄ phosphors by aliovalent doping: From material design to device applications,” J. Mater. Chem. C, vol. 7, pp. 15007-15013, 2019, doi: 10.1039/c9tc04965g.

[26] H. N. Van, D. T. T. Dung, P. T. H. Diep, L. M. Tu, P. H. Vuong, N. D. Hung, and H. V. Hung, “On enhancement and control of green emission of rare earth co-doped hydroxyapatite nanoparticles: synthesis and upconversion luminescence properties,” New J. Chem, vol. 45, pp. 751-760, 2021, doi: 10.1039/d0nj04847j.

[27] Y. Cong, D. Liu, N. Yu, Y. Xiao, Q. Yang, and Y. Fu, “Strong green upconversion emission from Er³⁺-Yb ³⁺-Mo⁶⁺ tridoped ZrO₂,” Mater. Chem. Phys, vol. 144, pp. 440-443, 2014, doi: 10.1016/j.matchemphys.2014.01.017.

[28] X. Yang, Z. Fu, Y. Yang, C. Zhang, Z. Wu, and T. Sheng, “Optical Temperature Sensing Behavior of High-Efficiency Upconversion: Er³⁺-Yb³⁺ Co-Doped NaY(MoO₄)₂ Phosphor,” J. Am. Ceram. Soc, vol. 98, pp. 2595-2600, 2015, doi: 10.1111/jace.13624.

[29] D. Avram, C. Colbea, M. Florea, S. Lazar, D. Stroppac, and C. Tiseanu, “Imaging dopant distribution across complete phase transformation by TEM and upconversion emission,” Nanoscale, vol. 11, pp. 16743-16754, 2019, https://doi.org/10.1039/C9NR04345D.

[30] O. Kıbrıslı, E. Erol, N. Vahedigharehchopogh, E. S. Yousef, M. Çelikbilek Ersundu, and A. E. Ersundu, “Noninvasive optical temperature sensing behavior of Ho³⁺ and Ho³⁺/Er³⁺ doped tellurite glasses through up and down-converted emissions,” Sensors Actuators, A Phys, vol. 315, 2020, doi: 10.1016/j.sna.2020.112321.

[31] G. Xiang, X. Liu, Q. Xia, S. Jiang, X. Zhou, L. Li, Y. Jin, L. Ma, X. Wang, and J. Zhang, “Deep-Tissue Temperature Sensing Realized in BaY₂O₄:Yb³⁺/Er³⁺ with Ultrahigh Sensitivity and Extremely Intense Red Upconversion Luminescence,” Inorg. Chem, vol. 59, pp. 11054-11060, 2020, doi: 10.1021/acs.inorgchem.0c01543.

[32] S. F. León-Luis, U. R. Rodríguez-Mendoza, E. Lalla, and V. Lavín, “Temperature sensor based on the Er³⁺ green upconverted emission in a fluorotellurite glass,” Sensors Actuators, B Chem, vol. 158 pp. 208-213, 2011, doi: 10.1016/j.snb.2011.06.005.

[33] F. Huang, Y. Gao, J. Zhou, J. Xu, Y. Wang, “Yb³⁺/Er³⁺ co-doped CaMoO₄: A promising green upconversion phosphor for optical temperature sensing,” J. Alloys Compd., vol. 639, pp. 325-329, 2015, doi: 10.1016/j.jallcom.2015.02.228.

[34] W. Zheng, B. Sun, Y. Li, T. Lei, R. Wang, and J. Wu, “Low Power High Purity Red Upconversion Emission and Multiple Temperature Sensing Behaviors in Yb³⁺,Er³⁺ Codoped Gd₂O₃ Porous Nanorods,” ACS Sustain. Chem. Eng., vol. 8, pp. 9578-9588, 2020, doi: 10.1021/acssuschemeng.0c03064.

DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.5000

Các bài báo tham chiếu

Hiện tại không có bài báo tham chiếu



Ghi nhớ