بخشی از مقاله
چکیده
در مقاله حاضر فرایند برهمکنش نور با نانو بلورهای NaYF4 آلاییده با یون های لانتانیدی Yb+ 3 و Er+3 که منجر به تولید نورهایی با فرکانس بالاتر - طول موج کوتاه تر - می شود و به فرایند تبدیل بالا بر اساس عناصر لانتانیدی معروف است مورد شبیه سازی عددی قرار می گیرد. ابتدا ترازهای انرژی درگیر در فرایند تبدیل بالا مشخص می شوند و معادلات آهنگ حاکم بر جمعیت آنها با یک رهیافت پدیده شناختی ارائه می گردد .
سپس، معادلات مذکور با استفاده از یک برنامه رایانه ای در بازه وسیعی از آهنگ های دمش لیزری - با طول موج - 980 nm در وضعیت های پایا و گذرا به صورت عددی حل می شوند. با فرض توزیع گاوسی برای طیف تابشی ترازها، توزیع طیفی نور قرمز - با طول موج - 656 nm و سبز - با طول موج - 542 nm خروجی به دست می آید. شبیه سازی نشان می دهد که شدت نسبی نور قرمز به سبز با افزایش شدت دمش کاهش می یابد.
مقدمه
در برهمکنش نور با ماده، بسته به توزیع طیفی، شدت و شکل باریکه نور و نیز نوع، اندازه و شکل ماده پدیده های اپتیکی متنوعی قابل رخداد می باشند. در بین این پدیده ها، فرایندهای اپتیکی غیرخطی - که در شدت های بالای نور برهمکنشی ظاهر می شوند - اهمیت بسیار زیادی در مسئله تبدیل فرکانس و به دست آوردن نورهایی با فرکانس کمتر - معروف به فرایندهای استوکس - یا بیشتر - معروف به فرایندهای آنتی استوکس - از فرکانس نوری فرودی دارند.
از جمله فرایندهای آنتی استوکس می توان به فرایند تولید هماهنگ، فرایند جذب چند فوتونی و فرایند تبدیل بالا اشاره کرد که از نوری با فرکانس معلوم نورهایی با فرکانس های بالاتر نورافشانی - یا فوتولومینانس - می کنند . - Auzel, 2003; Wang et al, 2011 - تبدیل بالا - Up-conversion - به فرایند اپتیکی غیرخطی اطلاق می شود که در آن جذب پشت سر هم دو یا چند فوتون نور فرودی - از طریق ترازهای انرژی میانی با طول عمر زیاد - منجر به لومینانس در طول موج های کوتاه تر می شود و به عبارت دیگر از دو یا چند فوتون کم انرژی یک فوتون پر انرژی تولید می کند .
Wang and Liu, 2009 - این فرایند در مقایسه با سایر فرایندهای آنتی استوکس دارای بازدهی بسیار بیشتری است و از اینرو نیازی به فراهم شدن شرایط پیچیده ای نظیر برقراری تطبیق فازی، داشتن شدت های دمش بالا و ... ندارد . - Mai et al, 2007 - فرایند تبدیلبالا عمدتاً بر اساس عناصر کمیاب خاکی مانند لانتانیدها که درون میزبان های معدنی آلاییده شده اند استوار است. مزیت فوق العاده لانتانیدها در فرایند تبدیل بالا ناشی از ترازهای الکترونی لایه f آنها می باشد. در حقیقت، رخداد این فرایند از طول عمر نسبتاً زیاد اکثر حالت های برانگیخته لانتانیدهای سه ظرفیتی نشات می گیرد.
لانتانیدها دارای زمان گذار 4f-4f میکرو تا میلی ثانیه هستند که البته با غلظت و نیز اندازه و شکل میزبان قابل تنظیم است . - Zhou et al , 2015 - سه مکانیسم مختلف برای فرایند تبدیل بالای مبتنی بر عناصر لانتانیدی وجود دارد که عبارتند از: جذب حالت برانگیخته - ESA - ، انتقال انرژی - ETU - ، و بهمن فوتونی . - PA - در مکانیسم ETU انرژی فوتون فرودی ابتدا توسط یک عنصر لانتانیدی به نام دهنده یا حساسگر - مانند ایتربیوم، - Yb جذب می شود و سپس از طریق کانال انتقال انرژی به یک عنصر لانتانیدی دیگر به نام گیرنده یا فعالگر - مانند اربیوم، - Er منتقل می شود.
این مکانیسم نسبت به مکانیسم ESA دارای بازدهی بسیار بیشتری است و بر خلاف مکانیسم PA نیازی به شدت های دمش بالاتر از یک حد آستانه ندارد . - Wang and Liu, 2009 - مانند خیلی از پدیده های اپتیکی، فرایند تبدیل بالا نیز تحت تاثیر فناوری نانو قرار گرفته است . - Chen and Zhao, 2012 - به نظر می آید که بروز اثرات وابسته به اندازه و نیز چربیدن اثرات سطحی به حجمی - که از نتایج مستقیم ابعاد نانو است - تاثیر به سزایی در فرایند تبدیل بالای لانتانیدی داشته باشند.
گزارش ها حاکی از آن است که دینامیک حالت های برانگیخته، نیمرخ های گسیل - طول عمر ترازها - ، بازدهی تبدیل بالا، دینامیک فونونی و طول موج نور خروجی به اندازه و شکل نانو ذره تبدیل بالا مرتبط است . - Zhao et al , 2013 - تاثیر عوامل دیگری مانند تقارن بلوری، ترکیب شیمیایی و دمای محیط میزبان و نیز نوع آلایش و غلظت آن در نانو ذرات تبدیل بالا متفاوت از حالت کپه ای آنها خواهد بود. این عوامل باعث شده اند که در سال های اخیر نانو ذرات آلاییده با لانتانیدها به یک زمینه کاری در حال رشد تبدیل شوند . - Chen and Zhao, 2012 -
در بین انواع محیط های میزبان برای فرایند تبدیل بالا، بلور NaYF4 - با تقارن شش گوش - دارای شهرت بیشتری می باشد. علت این امر انرژی فونون بسیار کوچک شبکه بلوری آن است که از بروز گذارهای غیرتابشی چند فونونی - به عنوان یک عامل کاهش بازدهی - ممانعت می کند . - Mai et al, 2007 - هنگامی که این میزبان با عناصر لانتانیدی Yb+3 - در نقش حساسگر - و Er+3 - در نقش فعالگر - آلاییده شود به یکی از شناخته شده ترین و پربازده ترین مواد تبدیل بالا برای تولید نور آبی، سبز و قرمز مبدل می گردد. بررسی خواص این ماده در ابعاد نانو از جمله جدید ترین کارهای حوزه نانوفناوری می باشد.
از آنجایی که اینگونه نانومواد فوتولومینانس غیر سمی، نور فروسرخ را به نور مرئی تبدیل می کنند کاربردهای فراوانی در حسگرهای زیست شناختی، زیست کاوه ها، تصویربرداری بیولوژیکی، باطری های خورشیدی، مخابرات تار نوری، حسگر میدان های الکتریکی و مغناطیسی، حسگر تنش های مکانیکی، حسگر تابش های شدید، فوتوسوئیچ ها و جوهرها و رنگینه های سری خواهند داشت . - Gonzalez and Perez, 2015; Lu et al, 2014 -
یکی از روش هایی که برای مطالعه فرایند تبدیل بالا از اهمیت و در عین حال سهولت بسیار بالایی برخوردار است استفاده از معادلات آهنگ حاکم بر جمعیت ترازهای انرژی درگیر در مسئله است. به کارگیری این رهیافت ساده پدیده شناختی در مطالعه نظری تبدیل بالا در ابعاد نانو به وفور در مراجع قابل مشاهده می باشد. نویسندگان مقاله حاضر نیز از معادلات آهنگ حاکم بر جمعیت ترازهای انرژی یون های لانتانیدی Yb+3 و Er+3 آلاییده شده در نانو بلورهای NaYF4 استفاده خواهند کرد تا زوایای پنهانی از نحوه تغییر جمعیت ترازها و ارتباط شدت نورهای خروجی با توان دمش را مورد بررسی عددی قرار دهند.
معادلات آهنگ
همانطور که گفته شد ترکیب NaYF4 با تقارن شش گوش یک محیط میزبان مناسب برای تبدیل بالا می باشد. این ماده، شکل بلوری دیگری با تقارن مکعبی دارد که بازدهی آن حدود ده برابر کمتر از تقارن شش گوشی است - Wang and Liu, . - 2009 وقتی این بلور با یون های Yb+3 و Er+3 با درصدهای مولی مناسب آلاییده شود به یک ماده تبدیل بالای پربازده برای نور آبی، سبز و قرمز در برهمکنش با نور فروسرخ نزدیک مبدل می گردد. این عناصر جایگزین عنصر ایتریوم، Y، بلور میزبان می شوند.
مقادیر آلایش باید به گونه ای انتخاب شوند که نه آنقدر کم باشند که فرایند ETU رخ ندهد و نه خیلی زیاد باشند که عوامل اتلافی - مانند واهلش های عرضی - منجر به کاهش بازدهی گردند. از آنجایی که یون Yb+3 در نقش گیرنده فوتون دمش - یا حساسگر - ظاهر می شود باید غلظت آن در مقایسه با یون Er+3 که به عنوان نورافشان - یا فعالگر - ایفای نقش می کند بیشتر باشد و از غلظت Y کمتر باشد.
درصدهای مولی حساسگر و فعالگر معمولاً % 18 و %2 انتخاب می شوند و فرمول شیمیایی ترکیب به صورت NaY%80Yb%18Er%2F4 نوشته می شود . - Lu et al, 2014 - وقتی این ترکیب بلوری با هر اندازه و شکلی در برابر دمش نور فروسرخ - معمولاً با طول موج - 980 nm قرارگیرد نورهای آبی، سبز و قرمز لومینانس می کنند. برای به دست آوردن معادلات آهنگ باید ابتدا ترازهای انرژی حساسگر و فعالگر را که در فرایند تبدیل بالا درگیر هستند شناسایی کرد .
مسلماً تراز انرژی این یون ها در حالت آزاد با حالتی که در یک جایگاه بلوری با میدان الکتریکی محلی قرار گرفته باشد متفاوت است ولی می توان برای سادگی کار از ترازهای انرژی حالت آزاد آنها استفاده کرد. همانطور که در اکثر مراجع نیز ذکر شده است از ترازهای انرژی متعدد Yb+3 تنها دو تراز انرژی هستند که در جذب انرژی از نور فرودی و تحویل آن فعالگر نقش دارند . - Lu et al, 2014 - این دو تراز در شکل -1 الف نشان داده شده اند.
فاصله این دو تراز انرژی به گونه ای است که با فاصله نردبانی ترازهای انرژی اکثر یون های لانتانیدی فعالگر برابر است و می تواند آنها را به صورت نردبانی به ترازهای انرژی بالاتر ببرد و فرایند تبدیل بالا را هدایت کند. ترازهای انرژی یون فعالگر Er+3 به سادگی ترازهای حساسگر نیست و بسته به اینکه شدت انرژی انتقالی از حساسگر در چه حدی باشد ترازهای بیشتری درگیر قضیه می شوند. تمام ترازهای درگیر در فرایند تبدیل بالا که فوتولومینانس آبی، سبز و قرمز را در پی دارند در شکل -1 ب آورده شده است.
