PMMA에 분산시킨 NaYF4 나노 결정 내 Tm3+의 광학적 특성

Abstract

지금까지 유리 기반 재료가 광섬유 분야에서 널리 사용되었다. 그러나 유리 계 물질의 ~2μm영역에서의 Multi-phonon relaxation에 의해 강한 IR 빛을 얻는데 어려움이 있었다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 NaYF4 나노 결정에 희토류 Tm3+ 이온을 첨가하여 808nm의 레이저를 광원으로 사용하여 Tm3+ 이온의 IR영역의 광특성을 연구하였다. 희토류는 고유한 파장에서 좁은 peak의 빛을 낼 수 있는 특성이 있지만, 농도 희석으로 인한 강도 감소를 피하기 위해 매트릭스 물질에 이를 도핑해야 한다. NaYF4 나노 결정은 유리 재료와 비교하여 입자크기가 작고 화학적 안정성이 높다. 또한 낮은 포논 에너지, 희토류 이온과 이온 반경의 유사성 및 높은 투과율을 갖기 때문에 도핑에 적합한 매트릭스이다. 먼저 colloidal 방법으로 Tm3+가 도핑된 NaYF4 나노 결정을 합성 후 특성을 분석하였다. X-ray diffraction pattern (XRD)과 transmission electron microscope (TEM)으로 구조를 분석하였고, XRD 결과, NaYF4 이외의 다른 상이 발견되지 않았고 NaYF4 만이 잘 형성된 것을 확인하였다. electron energy loss spectroscopy (EELS)를 통해 나노 결정 내에서 Tm3+ 이온이 다량 분포함을 증명하였다. 또한 NaYF4 나노 결정을 PMMA 및 Hexane에 분산시킨 소재의 광학적 특성을 비교 분석하였다. 구조 분석 결과, 이 나노 결정은 직경이 약 25 nm이고 육각형 구조인 것을 확인하였다. 나노 결정 내에 톨륨은 전체 결정에 균일하게 도핑되었으며, 물질을 구성하는 다른 이온 또한 나노 결정내에서 골고루 분포함을 확인하였다. NaYF4 나노 결정안의 Tm3+이온이 다이오드 레이저의 808nm 적외선 빛을 흡수하여 1465nm (3H4 – 3F4) 및 1825nm (3F4 – 3H6) 파장의 빛을 방출하는 것을 PL 결과로 확인하였다. 3H4 와 3F4 에너지 준위가 교차 이완에 의해 서로 연관되어 있기 때문에, 톨륨의 도핑 농도를 조절함으로써 1465nm와 1825nm 빛의 상대적 강도를 필요에 따라 조절할 수 있었다. 또한 NaYF4 나노 결정 합성에 사용되는 Oleic acid 용매의 양을 조절함으로써 나노 결정의 크기를 조절 할 수 있었다. 또한 나노 결정의 크기가 PL 강도에 영향을 주는 것을 알 수 있다. 나아가, NaYF4 나노 결정을 함유한 PMMA를 중합하고, PL을 측정하여 PMMA에서 나노 결정의 광학적 특성을 분석하였다. 이때 PMMA의 중합 방법에 따라 NaYF4 나노 결정의 PL이 달라진다.

So far, glass-based materials (conventional glass and glass ceramics materials) may be the most important material used for optical fiber production. However, MIR emission at ~2μm is the closely spaced energy levels transition, which is liable to be quenched by multiphonon non-radiative decay, hence it seems difficult to obtain intense MIR emission in most glass-based materials. In comparison with glass-based materials, nanocrystal(NC) materials are thought to be more suitable as MIR laser host because of their many advantages with smaller particle size, higher chemical stability, more nature synthesis method, and higher doping concentration of trivalent rare-earth(RE) ions. In this study, we synthesized Tm3+ -doped NaYF4 nanocrystals and optical properties of Tm3+-doped NaYF4 NCs were investigated to find out the possibility of the core materials in High power fiber laser. And we also control the size and structures of the NCs by adjusting the amount of surfactant and the synthesis temperature. The structure of nanocrystal was analyzed by X-ray diffraction pattern (XRD) and transmission electron microscope (TEM). Electron energy loss spectroscopy (EELS) demonstrated that the nanocrystal contained a large amount of sodium, yttrium, fluorine and thulium ions. And we polymerize (PMMA) containing synthesized nanocrystal with PEG-Oleate and measure optical property of nanocrystal in PMMA by photoluminescence spectroscopy.