厦门大学李艾华课题组实现镧系微米柱增强的定向上转换发射
2024-01-03

01 导读

近日,厦门大学物理学系李艾华副教授课题组在镧系微/纳米晶上转换发光增强方面取得重要进展,利用简单的金属帽自构型微腔对Yb3+/Er3+双掺微米柱的上转换发光(UCL)实现了43倍增强,并实现了更优越的定向发射。相关实验成果以“Ag-cap-enhanced upconversion luminescence of micropillars with unidirectional radiation” 为题发表在Optica,厦门大学物理学系硕士生高林烁为第一作者,李艾华副教授为通讯作者,厦门大学为唯一完成单位。

02 研究背景

镧系离子(Ln3+)具有类原子的窄带发光特性,将其掺杂在低声子能量的无机晶格中不仅可以保留窄带发光特性和增强材料的稳定性,还能在非相干低能红外光的激发下实现紫外、可见光发射,即UCL。随着纳米技术的发展,具有UCL特性的镧系微/纳米晶在医学、传感、显示、激光、固体激光冷却、发光开关、光遗传、太阳能电池等领域都展现出重要的应用前景。然而,目前UCL效率普遍不高,尤其是在低功率激发时,再加上4f-4f受迫电偶极跃迁的吸收截面极小,如何显著提高UCL发光亮度成为一个迫切需要解决的关键问题。

03研究创新点

厦门大学李艾华课题组以竖直向上的β-NaYF4:Yb3+, Er3+六棱微柱(MP)为模板,采用通用的热蒸发工艺制备了一种银帽自构型微腔(MPAC)。通过该简单而精巧的设计,成功实现了发光亮度显著提高的定向UCL。为对比研究,除制备玻璃上的MP(MPG)作为参考外,还设计了碳支撑膜 TEM 网 上MP(MPCSF)、Ag 膜上的(MPAF),四种结构见图1(a-d)。在980 nm连续激光激发下,制备的MPAC实现了UCL的43倍增强。为阐明增强机制,实验捕捉到的各结构的发光照片见图1(e-h),与数值计算得到的激发场分布[图1(i-l)]高度一致,揭示了激发增强是UCL增强的主要原因,该机制显然不同于发射激光时普遍报道的辐射增强。

图1 (a-d)四种结构的示意图,(e-h)采集的上转换发光图像,(i-l)数值计算得到的电场分布图。

另外发现,在不引入额外损耗时,即从MPG到MPCSF,实验测得的UCL增强倍数与功率依赖曲线拐点平方之比值一致。但是,引入银膜后,即再到MPAF、MPAC,此时估算的增强倍数明显低于实验测量值。远场分析揭示,后两种结构会将微米柱的双向发射转换成定向发射(见图2),提高的收集效率使实验测量的发光进一步增强。相比于MPAF,MPAC的辐射角会进一步缩小。

图2 制备银帽自构型微腔前后微米柱的发光对比。

04总结与展望

课题组构建的等离激元增强自构型微腔为研究光与物质相互作用提供了一个有效平台,并有望为利用谐振模式大幅度增强UCL提供一种新的研究范式。同时,该优越的定向发射功能对后续的光收集及光器件耦合均十分有利,有望用于集成光学。

文章链接:https://doi.org/10.1364/OPTICA.505129

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