Power-Dependent Optimal Concentrations of Tm3+ and Yb3+ in Upconversion Nanoparticles

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作者
Shihui Wen,Du Li,Yongtao Liu,Chaohao Chen,Fan Wang,Jiajia Zhou,Guochen Bao,Le Zhang,Dayong Jin
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:13 (23): 5316-5323 被引量:32
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.2c01186
摘要

Lanthanide-doped upconversion nanoparticles (UCNPs) have enabled a broad range of emerging nanophotonics and biophotonics applications. Here, we provide a quantitative guide to the optimum concentrations of Yb3+ sensitizer and Tm3+ emitter ions, highly dependent on the excitation power densities. To achieve this, we fabricate the inert-core@active-shell@inert-shell architecture to sandwich the same volume of the optically active section. Our results show that highly doped UCNPs enable an approximately 18-fold enhancement in brightness over that of conventional ones. Increasing the Tm3+ concentration improves the brightness by 6 times and increases the NIR/blue ratio by 11 times, while the increase of Yb3+ concentration enhances the brightness by 3 times and only slightly affects the NIR/blue ratio. Moreover, the optimal doping concentration of Tm3+ varies from 2% to 16%, which is highly dependent on the excitation power density ranging from 102 to 107 W/cm2. This work provides a guideline for designing bright UCNPs under different excitation conditions.

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