공동침전법 기반 고발광 상향변환 나노입자의 합성법 및 특성 분석

Synthesis and characterization of highly luminescent upconversion nanoparticles

란타넘족이 도핑된 상향변환 나노입자(UCNPs)는 저에너지 근적외선 광자를 상대적으로 높은 에너지 가시광선 및 자외선 광자로 변환할 수 있다. 이들의 고유한 광학적 특성은 입체 디스플레이, 보안 라벨링 및 심층 조직 이미징과 같은 광범위한 응용 분야를 가지고 있다. 본 연구에서는 NaYF₄를 모체로 다양한 란타넘족 원소(Nd, Yb, Y, Tm)을 활용하여 용이한 용액공정 방법인 공동침전법으로 상향변환 나노입자를 성공적으로 합성하였다. 특히, NaYF₄:Nd³⁺, Yb³⁺@NaYF₄:Yb³⁺, Tm³⁺ 코어-쉘 나노입자를 합성하였고, 해당 나노입자는 745 nm 레이저 여기 하에서 상향변환 발광을 나타내었다. 이는 720~760 nm 사이의 Nd³⁺ 이온의 큰 흡수 단면과 Nd³⁺ 이온들에서 Yb³⁺ 이온들 및 Tm³⁺이온들으로의 효율적인 에너지 전달과 이동을 통해 이루어진다. 또한, 비활성 NaYF₄ 쉘의 형성은 상향변환 효율을 크게 향상시킨다. 본 연구진은 합성한 코어-쉘-쉘 UCNPs을 X선 회절(XRD) 패턴과 주사 전자 현미경(SEM), 투과 전자 현미경(TEM)을 통해 구조 분석을 진행하였고, 흡광도 및 광발광 스펙트럼을 통해 광학적 특성을 분석하였다.

Lanthanide-doped upconversion nanoparticles (UCNPs) are capable of converting low energy near-infrared photons into relatively high energy visible and ultraviolet photon. Their unique optical properties have a broad range of applications such as volumetric display, security labelling and deep-tissue imaging. Herein, the optically active hexagonal phased NaYF₄:Nd³⁺, Yb³⁺@NaYF₄:Yb³⁺, Tm³⁺ core-shell nanoparticles were synthesized via facile co-precipitation method which can show upconversion luminescence upon 745 nm laser excitation. This is accomplished by taking advantages of the large absorption cross-section of Nd³⁺ ions between 720 to 760 nm plus efficient spatial energy transfer and migration which starts from Nd³⁺ ions to Yb³⁺ ions and Tm³⁺ ions. Also, the formation of inert NaYF₄ shell significantly enhance the upconversion efficiency. The core-shell-shell UCNPs were characterized with X-ray diffraction (XRD) patterns, scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM), absorbance, and photoluminescence spectra.