Controlling the thermal switching in upconverting nanoparticles through surface chemistry

Autor(es)

Martinez, Eduardo D. ^[1] ; Garcia-Flores, Ali F. ^[2] ; Carneiro Neto, Albano N. ^[3] ; Brites, Carlos D. S. ^[3] ; Carlos, Luis D. ^[3] ; Urbano, Ricardo R. ^[2] ; Rettori, Carlos ^{[4, 2]}

Afiliação do(s) autor(es)

^[1] Consejo Nacl Invest Cient & Tecn, Ctr Atom Bariloche, Comis Nacl Energia Atom CNEA, Inst Nanociencia & Nanotecnol INN, Av E Bustillo 9500, RB402AGP, San Carlos De Bariloche, Rio Negro - Argentina

^[2] Univ Estadual Campinas, UNICAMP, Gleb Wataghin Inst Phys IFGW, BR-13083859 Campinas, SP - Brazil

^[3] Univ Aveiro, Phys Dept, CICECO, Aveiro Inst Mat, Phantom G, P-3810193 Aveiro - Portugal

^[4] Fed Univ ABC UFABC, CCNH, BR-09210580 Santo Andre, SP - Brazil

• Tipo de documento: Artigo Científico
• Fonte: NANOSCALE; v. 13, n. 38 AUG 2021.
• Citações Web of Science: 0

Resumo

Photon upconversion taking place in small rare-earth-doped nanoparticles has been recently observed to be thermally modulated in an anomalous manner, showing thermal enhancement of the emission intensity. This effect was proved to be linked to the role of adsorbed water molecules as surface quenchers. The surface capping of the particles has a direct influence on the thermal dynamics of water adsorption and desorption, and therefore on the optical properties. Here, we show that the upconversion intensity of small-size (<25 nm) nanoparticles co-doped with Yb3+ and Er3+ ions, and functionalized with different capping molecules, presents clear irreversibility patterns upon thermal cycling that strongly depend on the chemical nature of the nanoparticle surface. By performing temperature-controlled luminescence measurements we observed the formation of a thermal hysteresis loop, resembling an optical switching phenomenon, whose shape and trajectory depend on the hydrophilicity of the surface. Additionally, an intensity overshoot takes place immediately after turning off the heating source, affecting each radiative transition differently. We performed numerical modelling to understand this effect considering non-radiative energy transfer from the surface defect states to the Er3+ ions. These findings are relevant for the comprehension of nanoparticle-based luminescence and the interplay between the surface and volume effects, and more generally, for applications involving UCNPs such as nanothermometry and bioimaging, and the development of optical encoding systems. (AU)

• Processo FAPESP: 15/21290-2 - EMU concedido no processo 12/04870-7: analisador de distribuição de tamanho de partículas por sistema de espalhamento dinâmico de luz, com potencial zeta e peso molecular, Horiba SZ-100Z
• Beneficiário: Pascoal Jose Giglio Pagliuso
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa Equipamentos Multiusuários
• Processo FAPESP: 12/04870-7 - Estudos de novos materiais complexos e avançados
• Beneficiário: Pascoal Jose Giglio Pagliuso
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Temático
• Processo FAPESP: 12/05903-6 - Ressonância magnética nuclear de novos materiais complexos e avançados em física da matéria condensada
• Beneficiário: Ricardo Rodrigues Urbano
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Jovens Pesquisadores
• Processo FAPESP: 11/19924-2 - Estudo e desenvolvimento de novos materiais avançados: eletrônicos, magnéticos e nanoestruturados: uma abordagem interdisciplinar
• Beneficiário: Carlos Rettori
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Temático
• Processo FAPESP: 15/21289-4 - EMU concedido no processo 12/04870-7: difratômetro de raios-X de pó de bancada, D2 PHASER desktop - Bruker
• Beneficiário: Pascoal Jose Giglio Pagliuso
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa Equipamentos Multiusuários
• Processo FAPESP: 17/10581-1 - Fenômenos emergentes em sistemas de dimensões reduzidas
• Beneficiário: Pascoal Jose Giglio Pagliuso
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Projetos Especiais
• Processo FAPESP: 15/23882-4 - Intensificaçao da eficiença plasmónica da upconversion em nanocristales dopados con terras rarass
• Beneficiário: Eduardo David Martínez
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado