Zeitschrift für Nanomedizin und biotherapeutische Entdeckung
Offener Zugang

Abstrakt

Lumineszierende Nanomaterialien und ihre Anwendungen

Martin Ntwaeaborwa

Phosphore werden heute in vielen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in elektronischen Informationsanzeigen, Festkörperbeleuchtung, Solarzellen, Werbung und Diebstahlschutz. Mithilfe einer harnstoffunterstützten Lösungsverbrennungsmethode haben wir mit Seltenerdmetallen (Pr3+ und Dy3+) dotierte Oxyorthosilikat-Phosphore (R2SiO5) (R = La, Y, Gd) hergestellt, die abstimmbares mehrfarbiges und weißes Licht emittieren. Wir haben die photolumineszierenden Eigenschaften von LaYSiO5:Dy3+;Pr3+, LaGdSiO5:Dy3+;Pr3+, GdYSiO5:Dy3+;Pr3+ und La2-xGdxSiO5:Dy3+;Pr3+ (x = 0, 0,5, 1,0, 1,5 und 2,0) in Pulver- und Dünnschichtform untersucht. Die Filme wurden mithilfe der gepulsten Laserabscheidungstechnik durch Ablation auf Si(100)-Substrate aufgebracht. Mehrere Abscheidungsparameter wurden variiert, darunter Vakuum gegenüber Gaspartialdruck (O2 oder Ar), Art des Laserpulses und Substrattemperatur. Die Proben wurden mittels Röntgenbeugung, Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS), energiedispersiver Röntgenspektroskopie und Photolumineszenzspektroskopie analysiert. Die Photolumineszenzdaten (PL) wurden in Luft unter Anregung durch einen 325 nm HeCd-Laser oder eine monochromatische Xenonlampe gesammelt. Die PL-Intensitäten waren stark abhängig von den Dotierstoffkonzentrationen Pr3+ und Dy3+, dem Verhältnis von La zu Gd, den Abscheidungsbedingungen und der Glühung nach der Abscheidung. Daten aus der Rasterelektronenmikroskopie und der Rasterkraftmikroskopie zeigten, dass der größte Einfluss der Abscheidungsbedingungen auf die PL-Intensität durch Änderungen der Morphologie und Topographie der Filme zustande kam, die sich auf die Lichtstreuung und -auskopplung auswirken. Die Farbreinheit der Bänder, die mit CIE-Koordinaten geschätzt wurde, bestätigte, dass unsere Proben abstimmbares mehrfarbiges und weißes Licht aussendeten. Die Analyse der Elementzusammensetzung ergab, dass eine Korrelation zwischen den EDS-, XPS- und TOF-SIMS-Daten besteht. Die Struktur, Partikelmorphologie, chemische Oberflächenzusammensetzung und elektronischen Zustände, photolumineszierende Eigenschaften und mögliche Anwendungen dieser Materialien in UV-gepumpten LEDs werden besprochen.

In den letzten beiden Jahrzehnten haben lumineszierende Nanomaterialien aufgrund ihrer einzigartigen physikochemischen, strukturellen und spektroskopischen Eigenschaften beträchtliches Interesse geweckt. Neben ihren Anwendungen in klassischen Phosphortechnologien wie Leuchtstofflampen, Leuchtdioden, Emissionsdisplays, Röntgendetektoren und Tomographie sorgen lumineszierende Nanomaterialien weiterhin für Durchbrüche in den Bereichen Sicherheit (Banknoten, Ausweisdokumente usw.), biologische Markierung (z. B. in der Forschung und für nichtinvasive medizinische Diagnose), Sensorik und Photovoltaik. Ihre spektroskopischen und physikochemischen Eigenschaften können genau auf spezifische Anforderungen abgestimmt werden. Wichtige Beispiele für diese Materialien sind Halbleiterquantenpunkte, Kohlenstoffpunkte, metalldotierte Nanomaterialien, Metallnanocluster oder organisch-anorganische Verbundstoffe und Hybride.

Nanopartikel haben sich in jüngster Zeit als wichtige Materialgruppe herausgestellt, die in zahlreichen Disziplinen der Biowissenschaften verwendet wird, von der biophysikalischen Grundlagenforschung bis hin zur klinischen Therapie. Lumineszierende Nanopartikel eignen sich hervorragend als optische Biosonden und erweitern die Möglichkeiten alternativer Fluorophore wie organischer Farbstoffe und gentechnisch veränderter fluoreszierender Proteine ​​erheblich. Zu ihren Vorteilen zählen hervorragende Photostabilität, abstimmbare und enge Spektren, kontrollierbare Größe, Widerstandsfähigkeit gegenüber Umgebungsbedingungen wie pH-Wert und Temperatur sowie eine große Oberfläche zur Verankerung gezielter Biomoleküle. Einige Arten von Nanopartikeln bieten aufgrund ihrer langen Emissionslebensdauer und/oder Blauverschiebung der Lumineszenzwellenlänge (Anti-Stokes) aufgrund der Energieaufkonversion einen verbesserten Erkennungskontrast. Dieser Themenüberblick konzentriert sich auf vier wichtige Arten lumineszierender Nanopartikel, deren Emission von unterschiedlichen Photophysikfaktoren bestimmt wird. Wir diskutieren den Ursprung und die Eigenschaften der optischen Absorption und Emission dieser Nanopartikel und geben einen kurzen Überblick über Synthese- und Oberflächenmodifizierungsverfahren. Wir stellen auch einige ihrer Anwendungen mit Möglichkeiten zur Weiterentwicklung vor, die für physikalisch geschulte Leser von Nutzen sein könnten. Nanopartikel haben sich in jüngster Zeit zu einer wichtigen Materialgruppe entwickelt, die in zahlreichen Disziplinen der Biowissenschaften Verwendung findet, von der biophysikalischen Grundlagenforschung bis hin zur klinischen Therapie.