Darstellung einer Metaoberfläche mit Nanoteilchen. Die Daten zeigen die Korrelation von Transmission und Emissionserhöhung und die Verteilung des elektrischen Feldes.
Quelle: BAM, Fachbereich Biophotonik
Aufwärtskonvertierende Nanokristalle (upconversion nanocrystals (UCNPs)) bilden eine vergleichsweise neue Klasse Seltenerd-basierter lumineszierender Nanomaterialien, die für eine Reihe von Anwendungen als besonders vorteilhaft diskutiert werden. Dies umfasst Reporter für Assays, Sensoren und bildgebende Verfahren in den Lebenswissenschaften inklusive hoch-auflösender Mikroskopie, photodynamische Therapien in der Medizin, die Optogenetik, die Photovoltaik, die optische Datenspeicherung, Laser und Sicherheitsbarcodes. Die Aufwärtskonversion ist ein multiphotonischer Prozess, der die sequenzielle Absorption von zwei oder mehr Photonen mit Wellenlängen im nahinfraroten (NIR) Spektralbereich über langlebige metastabile Energiezustände beinhaltet. Dies bedeutet, dass zwei oder mehr dieser Lichtquanten nach einander von den Nanoteilchen aufgenommen werden. Anschließend erfolgt die Emission eines Photons mit höherer Energie d.h. einer Wellenlänge im sichtbaren Spektralbereich. Der UC-Prozess lässt sich z.B. mit Er3+, jedoch besonders gut mit Ionenpaaren wie Yb3+/Er3+ realisieren. Die Yb3+-Ionen dienen als Sensibilisatoren, die NIR-Photonen vergleichsweise effizient absorbieren, sie nehmen die Energie auf und geben sie an z.B. die Er3+ Ionen weiter, hier erfolgt die Aufkonversion zu höherer Energie. Dieser Prozess ist nicht linear, je mehr Lichtquanten pro Zeit auf das Material einfallen, desto effizienter wird der Prozess der Aufkonversion - die Quantenausbeute ist also eine Funktion der Anregungsleistungsdichte. An dieser Stelle kommen die sogenannten Metaoberflächen (oft auch photonische Kristalle genannt) ins Spiel.
Metaoberflächen bestehen aus periodisch angeordneten Löchern oder Stäbchen und sind optisch aktiv. Versteht man das Licht nicht als Teilchen, sondern als Welle kann die Interaktion mit der periodischen Oberfläche berechnet werden. Manche von außen eingestrahlten Lichtwellen können sich innerhalb der Metaoberfläche bewegen, bzw. „eingefangen“ werden. Diese sogenannten „leaky Moden“ verursachen nahe der Oberfläche eine starke Erhöhung der Energie des elektrischen Feldes, die nun verwendet werden kann, um die Nanoteilchen anzuregen und den Aufkonvertierungsprozess deutlich effizienter zu machen. Eine Verstärkung bis zu einem Faktor nahe 1000 konnte beobachtet werden.
Durch eine vorherige experimentelle Charakterisierung der Nanoteilchen konnten diese auch helfen, die Feldenergie nahe der Metaoberfläche zu messen, also als Nanosensoren verwendet werden. Da die Erhöhung der Feldenergie nur einige 100 nm nahe der Metaoberfläche auftritt, waren solche Messungen und damit eine experimentelle Bestätigung der Theorie bislang kaum möglich. Durch die guten Übereinstimmungen konnte gezeigt werden, dass die Abschätzungen der Effizienzerhöhung durch Metaoberflächen zunächst mittels Modellen erfolgen kann.
Metasurface Enhanced Sensitized Photon Upconversion: Toward Highly Efficient Low Power Upconversion Applications and Nanoscale E-Field Sensors
Christian Würth, P. Manley, R. Voigt, D. Ahiboz, C. Becker, Ute Resch-Genger Saliwan‑Neumann, Alexander Evans, Giovanni Bruno
veröffentlicht in Nano Letters, Band 10, Heft 9, Seite 6682 - 6689, 2020
BAM, Fachbereich Biophotonik