01.10.2017
Leistungsabhängige Aufkonvertierungseffizienz von Mikro- und Nanopartikeln: Messungen und Simulationen

Links oben: Sichtbare Emission von Aufkonvertierungsnanopartikeln, dispergiert in einem organischen Lösungsmittel unter Bestrahlung mit infrarotem Licht mit einer Wellenlänge von 980 nm; Links unten: dazugehörige spektral aufgelöste Intensitätsverteilung der Aufkonvertierungs-Lumineszenz; Rechts: Foto des zur Messung der Aufkonvertierungs-Lumineszenz verwendeten Ulbrichtkugel-Messplatzes mit grün leuchtenden Aufkonvertierungsnanopartikeln.

Quelle: BAM, Fachbereich Biophotonik

Bestimmung der Effizienz nichtlinearer optischer Prozesse

Aufkonvertierung ist ein Prozess, bei dem aus Licht niedrigerer Energie Licht mit höherer Energie erzeugt wird, z.B. aus infrarotem Licht sichtbares Licht. Dies kann mit Kristallen realisiert werden, die optisch aktive Ionen enthalten, wie in dem hier beschriebenen Fall Ytterbium (Yb3+) und Erbium (Er3+). Dabei nehmen die Ytterbium-Ionen das Licht auf und übertragen die Energie an Erbium-Ionen. Dort wird die Energie kurzzeitig gespeichert bis der nächste Energietransfer erfolgt, wodurch höhere Energiezustände erreicht werden. Aus diesen wird dann Strahlung abgegeben, die eine größere Energie besitzt als das zuvor aufgenommene Licht. Da für den Aufkonvertierungsprozess mehrere Energieübertragungsschritte notwendig sind, ist dieser Prozess abhängig von der Intensität der anregenden Strahlung bzw. der Anregungsleistungsdichte. Potenzielle Anwendungsgebiete solcher Materialien sind optische Reporter für Assays, Echtheitskodierungen, neue optische Bauteile und Solarzellen.

Für viele Anwendungen von Aufkonvertierungsprozessen gerade in den Lebenswissenschaften werden nanometergroße Kristalle benötigt. Bei diesen kleinen Teilchen ist die Oberfläche sehr groß im Vergleich zu ihrem Volumen, so dass Energie schnell über die Oberfläche „strahlungslos“, also ohne Emission von Licht, abgegeben werden kann und so für Lumineszenzprozesse verloren geht. Eine wesentliche Größe zur Beschreibung der Effizienz solcher Aufkonvertierungsmaterialien ist die (Quanten)Ausbeute der Aufkonvertierungslumineszenz, also die Zahl der emittierten kurzwelligen Photonen bezogen auf die Zahl der langwellig absorbierten Photonen.

Wie effizient das Material in Abhängigkeit von der Partikelgröße und Intensität des eingestrahlten Lichtes ist, entscheidet über die mögliche Anwendung in der Sicherheitstechnik, Bioanalytik, Medizin oder Photovoltaik/Energiegewinnung. Forscher der BAM aus dem Fachbereich Biophotonik haben daher Methoden zur Bestimmung der Anregungsleistungsdichte-abhängigen Effizienz des Aufkonvertierungsprozesses und der spektralen Charakteristik bzw. Farbe des abgestrahlten Lichtes entwickelt. Dabei haben sie auch untersucht, wie sich diese Eigenschaften in Abhängigkeit von der Partikelumgebung (fest in Luft und dispergiert in verschiedenen Lösungsmitteln) und -größe (Nanometer- und Mikrometer-große Partikel) ändern und die Löschprozesse quantifiziert.

Leistungsabhängige Aufkonvertierungseffizienz von Mikro- und Nanopartikeln: Messungen und Simulationen
Martin Kaiser, Christian Würth, Marco Kraft, Iko Hyppänen, Tero Soukka and Ute Resch-Genger
Nanoscale, 2017, 9, 10051, DOI: 10.1039/c7nr02449e
BAM Abteilung Analytische Chemie; Referenzmaterialien, Fachbereich Biophotonik

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