Alleviating Luminescence Concentration Quenching in Upconversion Nanoparticles through Organic Dye Sensitization

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作者
Wei Wei,Guanying Chen,Alexander Baev,Guang S. He,Wei Shao,Jossana A. Damasco,Paras N. Prasad
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:138 (46): 15130-15133 被引量:153
标识
DOI:10.1021/jacs.6b09474
摘要

The phenomenon of luminescence concentration quenching exists widely in lanthanide-based luminescent materials, setting a limit on the content of lanthanide emitter that can be used to hold the brightness. Here, we introduce a concept involving energy harvesting by a strong absorber and subsequent energy transfer to a lanthanide that largely alleviates concentration quenching. We apply this concept to Nd3+ emitters, and we show both experimentally and theoretically that the optimal doping concentration of Nd3+ in colloidal NaYF4:Nd upconverting nanoparticles is increased from 2 to 20 mol% when an energy harvestor organic dye (indocyanine green, ICG) is anchored onto the nanoparticle surface, resulting in ∼10 times upconversion brightness. Theoretical analysis indicated that a combination of efficient photon harvesting due to the large absorption cross section of ICG (∼30 000 times higher than that of Nd3+), non-radiative energy transfer (efficiency ∼57%) from ICG to the surface bound Nd3+ ions, and energy migration among the Nd3+ ions was able to activate Nd3+ ions inside the nanoparticle at a rate comparable with that of the pronounced short-range quenching interaction at elevated Nd3+ concentrations. This resulted in the optimal concentration increase to produce significantly enhanced brightness. Theoretical modeling shows a good agreement with the experimental observation. This strategy can be utilized for a wide range of other lanthanide-doped nanomaterials being utilized for bioimaging and solar cell applications.
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