업컨버전(Upconversion)이란?

 업컨버전(Upconversion)이란?

광자 상향 변환은 2개 이상의 장파장 광자를 순차적으로 흡수하여 더 짧은 파장의  광자를 방출하는 것을 의미합니다. 방출이 여기 광 보다 더 짧은 파장에 있다는 사실은 방출이 항상 더 긴 파장에서 발생하는 형광 및 인광 과 같은 다른 형태의 광발광과 구별되는 상향 변환을 만듭니다  (Stokes  Shift  참조).  따라서 상향 변환 발광은 반  스톡스 형광으로도 알려져 있습니다. 상향 변환은 광자의 순차적 흡수를 통해 발생하며 일반적으로 광자가 동시에 흡수되는 2광자 흡수 프로세스와 구별되는 것으로 간주됩니다.

가상의 3레벨 시스템을 사용하는 여기 상태 흡수 상향 변환(ESA)을 위한 간단한 메커니즘이  그림 1에 나와 있습니다. 방출 센터는 초기에 바닥 상태 (1) 에  있고 첫 번째 광자의 흡수는  중간 여기 상태 (2)로 촉진합니다.  중심이 바닥 상태로 다시 이완 되기 전에 두 번째 광자를  흡수하면 더 높은 여기 상태 (3)로 승격됩니다.

그런 다음 중심은 방사적으로 이완되어 상태 1 로 되돌아가 흡수된 두 광자의 에너지의 두  배인 에너지를 가진 광자를 방출합니다. ESA가 발생하려면 상태 2 가 충분히 오래 지속되어야 하고 광자 플럭스가 충분히 높아야 상태 2 가 기저 상태로 다시 완화되기 전에  두 번째  광자가 흡수됩니다.

에너지 전달 상향 변환(ETU)에서는 상향 변환을 생성하기 위해 증감제와 방출기(일반적으로  두 가지 다른 유형의 희토류 이온)가 사용됩니다.  가장 간단한 ETU 메커니즘이 왼쪽에 표시됩니다.

감광제는 먼저 광자를 흡수하고 여기 상태로 승격됩니다. 그 다음에는 에미터로의 에너지 전달(ET)이 뒤따르며 중간 여기 상태(2) 로 촉진 되고 감광제가 다시 기저 상태로 이완됩니다.  그런 다음 두 번째 증감제가  광자를 흡수하고 에미터에 대한 ET 는 더 높은 에너지 광자를 방출하는 바닥 상태로 방사적으로  이완되는 더 높은 여기 상태 (3) 로 이를 촉진합니다. ET는  오른쪽에 표시된 것 처럼 ESA와 같은 다른 프로세스와 함께 발생할 수도 있습니다. ETU가 효율적이기 위해서는 증감체와 이미터가 공간적으로 가까워야 ET가 일어날 수 있고, 이미터의  중간 들뜬 상태의 에너지가 센시타이저의 들뜬 상태보다 낮아야 활기찬  추진력을 얻을 수 있다.

광자 사태 상향 변환(PA)은 덜 일반적인 메커니즘이며 레이저 캐비티 내부에서 발생합니다.  PA 메커니즘은 재료에서 밀접하게 간격을둔 이온 사이의 교차 이완 에너지 전달(CR  ET)을  기반으로 합니다.4 처음에는 모든 이온이 상태  1 에 있고 어떤 시점에서 이온 중 하나가 상태 2 로 승격된 다음 상태 3 으로 승격됩니다. ESA를 통해. CR  ET 프로세스를 통해 이 이온은 이웃 이온을 상태 2로 승격시키면서 상태 2 로 다시 완화될 수 있습니다. 이 두 이온은 ESA를  거친 다음 CR ET를 거쳐 상태 2 에서 4개의 이온으로 이어지는 두 개의 이웃 이온과 함께 CR  ET를 겪을 수 있습니다. 재료의 모든 이온이 상태 2가 될 때까지. 상향 변환은 먼저  발생하는  바닥 상태 흡수 없이 상태 2 에서 상태 3 으로 여기 상태 흡수를 통해 직접 진행됩니다 .

분자 시스템에서 여기 상태는 강하게 국지화되어 뚜렷한 단일항 및 삼중항 상태로 이어지고  삼중항‑삼중항 소멸(TTA)로 알려진 분자 시스템에 대한 ETU의 변형을 발생시킵니다. TTA는  광자를 흡수하는 데 사용되는 감광 분자와 TTA를 수행하고 상향 변환된 광자를 방출하는 방출 분자가 있는 이중 분자 메커니즘입니다. 감광제는 먼저 여기된 단일항 상태 (S1) 로 촉진하는 광자를 흡수한 다음 삼중항 상태 (T1) 로 시스템 간 교차(ISC)가 이어집니다 . 그런 다음 에너지는 삼중항 매개 ET를 통해 이미 터로 전달되어 이미 터를 T1으로 승격 시킵니다. 이 프로세스는 두 번째 이미터‑감광체 쌍에 대해 반복됩니다. 마지막으로 두 에미터는 TTA를 거쳐 하나의 에미터를 S1 으로, 다른 하나를 기저 상태로 승격시킵니다. 그런 다음 S1 의 이미 터는  높은 에너지 광자를 방출하는 바닥 상태로 방사적으로 이완 됩니다.

상향 변환 의 예 – 에르븀 및 이테르븀 도핑된 불화 이트륨 나트륨 가장 유명한 상향 변환 재료 중 하나는 어븀 및 이테르븀 (NaY0.77Yb0.20Er0.03F4)으로 도핑된 불화 이트륨 나트륨(NaYF4)입니다. NaY0.77Yb0.20Er0.03F4 는 Y3+ 이온 의 20%가 Yb3 + 로 , 3%가 Er3+ 로 대체된 NaYF4의 육각형 격자입니다 (그림  5).

NaY0.77Yb0.20Er0.03F4의 상향 변환은 Yb3 + 이온이 증감제 역할을 하고 Er3+ 가 방출체인  ET 메커니즘을 통해 진행됩니다. Yb3+ 에서 2F7/2 → 2F5/2 전이는  980nm 레이저를 사용하여 여기 될 수 있으며 Er3+ 로의 첫 번째 ET 는 이를 4I11/2 상태로 촉진합니다. 여기에서 Er3+ 는 4I13/2 상태까지 비복사 이완을 겪고 두 번째 ET가 이를 4F9/2 상태로 촉진하거나 두 번째 ET가 4I11/2에서 4F7/2로 촉진하여 방사적으로 2H11/2 및 4S3/2 상태로 완화됩니다. 이 세 가지 상태에서 Er3+ 는 고에너지 광자를 방출하는 4I15/2상태로 다시 복사 이완 됩니다.

NaY0.77Yb0.20Er0.03F4 의 상향 변환 발광 스펙트럼은 FLS1000 Photoluminescence  Spectrometer를 사용하여 측정되었으며 그림 7에 나와 있습니다. FLS1000에는 여기를 위한  고출력 980nm CW 레이저와 뛰어난 미광을 위한 이중 방출 모노크로메이터 를 장착할 수 있습니다. 이러한 고도로 산란하는 샘플에서 일반적으로 약한 상향 변환 발광을 측정하는 데 이상적입니다. 스펙트럼에는 그림 6에 표시된 세 가지 전이에 해당하는 525nm, 546nm 및 658nm에 중심을 둔 세 개의 뚜렷한 밴드가 포함되어 있습니다.