Upconversion luminescence with tunable lifetime in NaYF4:Yb,Er nanocrystals: role of nanocrystal size

纳米晶 光子上转换 发光 材料科学 猝灭(荧光) 亮度 纳米技术 光电子学 光学 荧光 物理
作者
Jiangbo Zhao,Zhenda Lu,Yadong Yin,Christopher McRae,James A. Piper,Judith M. Dawes,Dayong Jin,Ewa M. Goldys
出处
期刊:Nanoscale [Royal Society of Chemistry]
卷期号:5 (3): 944-952 被引量:328
标识
DOI:10.1039/c2nr32482b
摘要

Despite recent achievements to reduce surface quenching in NaYF4:Yb,Er nanocrystals, a complete understanding of how the nanocrystal size affects the brightness of upconversion luminescence is still incomplete. Here we investigated upconversion luminescence of Yb,Er-doped nanocrystals in a broad range of sizes from 6 nm to 45 nm (cubic or hexagonal phases), displaying an increasing red-to-green luminescence intensity ratio and reduced luminescence lifetimes with decreasing size. By analyzing the upconversion process with a set of rate equations, we found that their asymptotic analytic solutions explain lower decay rates of red compared to green upconversion luminescence. Furthermore, we quantified the effect of the surface on luminescence lifetime in a model where nanocrystal emitters are divided between the near-surface and inside regions of each nanocrystal. We clarify the influence of the four nonradiative recombination mechanisms (intrinsic phonon modes, vibration energy of surface ligands, solvent-mediated quenching, and surface defects) on the decay rates for different-size nanocrystals, and find that the defect density dominates decay rates for small (below 15 nm) nanocrystals. Our results indicate that a defect-reduction strategy is a key step in producing small upconversion nanocrystals with increased brightness for a variety of bioimaging and biosensing applications.
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