JoVE 비디오를 활용하시려면 도서관을 통한 기관 구독이 필요합니다. 전체 비디오를 보시려면 로그인하거나 무료 트라이얼을 시작하세요.
잔류 발광 나노물질(PLNPs)의 합성을 위한 프로토콜과 자외선(365nm) 조사 하에서 잔광 효과를 활용하는 재기록 가능한 디스플레이 및 예술적 처리에서의 잠재적 응용 분야를 제시합니다.
잔류 발광 나노입자(PLNPs)는 여기가 중단된 후에도 연장된 수명과 강력한 방출을 유지할 수 있는 기능을 가지고 있습니다. PLNP는 정보 디스플레이, 데이터 암호화, 생물학적 이미징, 지속적이고 생생한 광도를 가진 예술적 장식 등 다양한 영역에서 널리 사용되어 다양한 혁신적인 기술 및 예술 프로젝트에 무한한 가능성을 제공합니다. 이 프로토콜은 PLNP의 열수 합성을 위한 실험 절차에 중점을 둡니다. Zn2 GeO 4 : Mn (ZGO : Mn) 또는 ZnGa2O4 : Cr에서 발광 중심 역할을하는 Mn 2 + 또는 Cr3 +를 가진 내구성있는 발광 나노 물질의 성공적인 합성은이 합성 방법의 보편성을 강조합니다. 반면에, ZGO: Mn의 광학 특성은 전구체 용액의 pH를 조정하여 변경할 수 있으며, 이는 프로토콜의 조정 가능성을 보여줍니다. PLNP는 365nm 파장에서 3분 동안 자외선(UV)을 충전한 후 정지하면 효율적이고 일관되게 잔광을 생성하는 놀라운 능력을 보여 2차원 재기록 가능 디스플레이와 3차원 투명하고 빛나는 예술 작품을 만드는 데 이상적입니다. 이 논문에 요약된 이 프로토콜은 추가 조명 및 이미징 응용 분야를 위한 영구 발광 나노 입자의 합성을 위한 실현 가능한 방법을 제공하여 과학 및 예술 분야에 대한 새로운 전망을 열어줍니다.
영구 발광(PL)은 자외선, 가시광선, X선 또는 기타 여기원의 에너지를 저장한 다음 초, 분, 시간 또는1일 동안 광자 방출 형태로 방출할 수 있는 고유한 광학 프로세스입니다. 연속적인 발광 현상의 발견은 1000년 전 고대 중국 송나라 시대에 한 화가가 우연히 어둠 속에서 빛나는 그림을 발견하면서 시작되었습니다. 나중에 일부 천연 원료와 미네랄이 햇빛을 흡수한 다음 어둠 속에서 빛을 발할 수 있으며 심지어 매혹적인 빛나는 진주로 만들어질 수 있다는 것이 밝혀졌습니다2. 그러나 잔류 형광체에 대한 최초의 적절한 기록은 17세기 초 볼로냐 석재에서 PL 방출을 발견한 것으로 거슬러 올라갈 필요가 있었으며, 이는 어둠 속에서 노란색에서 주황색의 잔광을 발산했습니다 1,2,3,4. 나중에, BaS에서 Cu +의 천연 불순물이이 지속적인 발광 현상 1,4에서 중요한 역할을한다는 것이 발견되었습니다. 1990년대 중반까지만 해도 잔류성 형광체의 생산은 주로 황화물5로 제한되었다. 1996년 Matsuzawa et al.은 매우 밝은 잔광을 보이는 새로운 금속 산화물(SrAl2O4:Eu2+, Dy3+) 형광체를 보고했으며, 이는 지속적인 발광 연구의 확장을 크게 자극했습니다6.
영구 발광 물질의 독특한 특성은 주로 방출 센터와 트랩 센터 1,7,8의 두 가지 종류의 활성 센터에서 파생됩니다. 그 중 전자는 방출 파장을 결정하는 반면 지속 강도와 시간은 주로 트랩 센터에 의해 결정됩니다. 따라서 PL 재료의 설계는 원하는 방출 파장과 오래 지속되는 발광 9,10을 달성하기 위해 두 가지 측면을 모두 고려해야 합니다. 방출 중심은 5d에서 4f 또는 4f에서 4f 전이를 갖는 란탄족 이온, d에서 d 전이를 갖는 전이 금속 이온 또는 p에서 s 전이 1,11,12,13을 갖는 전이 후 금속 이온일 수 있습니다. 반면에, 트랩 중심은 격자 결함 또는 다양한 공동 도펀트(14,15)에 의해 형성되며, 이는 일반적으로 방사선을 방출하지 않고 대신 여기 에너지를 잠시 동안 저장한 다음 열 또는 기타 물리적 활성화(16,17)를 통해 방출 센터로 점차적으로 방출합니다. 서로 다른 호스트와 도펀트 이온을 가진 많은 형광체가 보고되었습니다. 지금까지, 무기 금속 화합물(18), 금속-유기 골격(8), 특정 유기 복합체(19) 및 중합체(20)가 PL 특성을 갖는 것으로 밝혀졌다. 최근 몇 년 동안, 제어 가능한 에너지 저장 및 광자 방출 특성을 가진 딥 트랩 영구 발광 재료는 정보 저장(21), 다층 위조 방지(multi-layer anti-counterfeiting)22 및 고급 디스플레이(advanced display)23에서 큰 잠재적 응용을 보여주었다.
상기의 조성에 기초하여,BaZrSi3O97, Y2O2S24, Ca14Mg2(SiO4)825, CaAl2O426,SrAl2O4 26,27, 및 Sr2MgSi2O728 등의 다양한 매트릭스를 갖는 PLNP가 성공적으로 설계 및 합성되었다 다중 도핑된 발광 중심을 사용하면 발광 중심이 호스트 격자의 결정 전계 효과에 크게 의존하는 반면, 다른 도핑에 의해 생성되거나 개선된 결함은 잔광 강도와 지속 시간을 제어하는 보조 중심 역할을 합니다. 코-도핑 외에도,Y3Al2Ga3O1229,BaGa2O430,Ca2SnO431, CdSiO332, 및Zn3Ga2Ge2O1033의 매트릭스를 갖는 이종 PLNP와 같은 하나의 활성제의 경우에도 장기간 방출이 관찰될 수있다. 게르마네이트 기반 삼원 산화물은Ca2Ge7O16, Zn2GeO4, BaGe4O9등을 포함하며, 이들은 조정 가능한 방출, 재현성 및 안정적인 발광, 높은 양자 수율, 환경 친화성 및 광범위한 가용성(34,35,36)을 갖는 전형적인 와이드 밴드갭 반도체 재료입니다. 이러한 장점으로 인해 우수한 활성제형 축광 캐리어가 됩니다. 지난 몇 년 동안, 다양한 미세 구조(35,37)와 게르마네이트는 기존의 고체 반응 또는 화학 용액 방법에 의해 제조되었으며, 이러한 특성으로 인해 Zn2GeO4 는 살균38, 위조 방지(39), 촉매 작용(40), 광 다이오드(41), 바이오 센싱(42), 배터리 양극(43), 검출기(44, 45) 등에 유용하다.
PL 물질의 응용을 확장하기 위해 균일하고 지속적인 발광 나노 입자의 제어 가능한 합성이 개발되었습니다. 10년 전, 영구 형광체는 고체 상태 합성(solid-state synthesis46)에 의해 합성되었다. 그러나 합성 공정 중 긴 반응 시간과 높은 어닐링 온도로 인해 크고 불규칙한 형광체가 생성되어 생물 의학과 같은 다른 분야에서의 적용이 제한되었습니다. 2007 년 Chermont et al.은 처음으로 졸 - 겔 접근법을 사용하여 나노 입자를 합성하고 Ca0.2Zn0.9Mg0.9Si2O6 : Eu2 +, Dy3 +, Mn2 +를 준비하여 PLNPs47의 시대를 열었습니다. 그러나 하향식 합성 전략은 제어할 수 없는 크기 및 형태와 같은 문제를 수반하기 때문에 연구자들은 PLNP의 제어 가능한 상향식 합성을 개발하는 데 많은 노력을 기울였습니다. 2015년 이후 균일하고 제어 가능한 PLNPs 47,48,49,50의 합성을 위한 템플릿 합성법, 열수/용매 열법, 졸-겔 방법 및 기타 습식 화학 합성법과 같은 다양한 합성 방법이 속속 등장했습니다. 그 중 열수 합성은 나노 물질을 제조하는 데 가장 일반적으로 사용되는 방법 중 하나이며, 이는 특수 구조 및 특성을 가진 화합물 또는 물질을 제조하기 위해 조정 가능하고 온화한 합성 방법을 제공할 수 있습니다51.
여기에서는 열수 방법을 통해 Zn2GeO4 : Mn PLNP를 1D 나노로드 형태와 합성하고 추가 조명 응용 분야를 위한 견고한 환경을 제공하는 자세한 실험 절차를 제시합니다. 방출 파장 및 잔광 감쇠 곡선을 포함한 PLNP의 발광 특성은 전구체의 pH 값을 조정함으로써 변경될 수 있음이 밝혀졌습니다. 한편, 이 방법의 다양성을 강조하기 위해, 자외선(365nm)에 의해 여기된 후 근적외선 영역에서 잔광 방출(697nm)을 나타내는ZnGa2O4를 매트릭스(ZnGa2O4: Cr)로 사용하여 Cr을 발광 중심으로 하는 PLNP를 합성합니다. 이 기사는 주로 2차원 및 3차원 작품 제작 및 시각화를 위해 전구체 용액의 pH 값이 9.4인 Zn2GeO4: Mn에 초점을 맞춥니다. Zn2GeO4 : Mn은 365nm 자외선의 여기 하에서 강한 녹색 발광 (~ 537 nm)을 얻는 발광 중심으로서 Mn 이온을 갖는 나노 물질의 일종입니다. 동시에 여자를 중지한 후에도 계속 녹색 표시등을 볼 수 있습니다. 메틸 메타크릴레이트에서 PLNP의 중합을 촉진하기 위해 열수 합성 과정에서 리간드(폴리에틸렌 글리콜)를 첨가한 다음 PLNP를 2차원 또는 3차원 주형에서 메틸 메타크릴레이트(MMA)로 중합하여 부드럽게 탈형하면서 빛나는 예술 작품을 형성할 수 있습니다.
이 프로토콜은 고급 연색성에서 PLNP의 열수 합성, 중합 반응 및 발광 응용을 위한 실현 가능한 방법을 제공합니다. 나노결정 성장 중 pH, 온도 및 화학 시약의 차이는 PLNP 나노 구조의 크기와 광학 특성에 영향을 미칩니다. 이 상세 프로토콜은 이 분야의 새로운 연구원들이 더욱 광범위한 응용 분야를 위해 열수 방법을 사용하여 PLNP의 재현성을 개선하는 데 도움이 되는 것을 목표로 합니다.
1. Zn2GeO4 의 합성 : Mn PLNPs
2. ZnGa2O4의 합성 : Cr PLNP
3. 원료를 위한 정화
4. 메틸 메타크릴레이트(MMA)의 공중합
Zn2GeO4: Mn(ZGO: Mn) PLNPs의 합성도는 그림 1에 나와 있습니다. 양친매성 고분자 폴리-에틸렌 글리콜(PEG)을 첨가하여 리간드가 없는 Zn2GeO4: Mn(ZGO: Mn) 나노로드를 변형시켜 MMA 매체에 더 잘 용해되도록 합니다. 먼저 pH가 9.4인 ZGO: Mn의 투과 전자 현미경(TEM), 고분해능 투과 전자 현미경(HRTEM) 이미지를 수집한 다음(그림 1) ZGO: Mn의 ...
이 기사에서는 연성 발광 나노물질과 연색성 응용을 위한 중합을 위한 합성 방법을 소개합니다. 이 재료는 매우 안정적인 광학 특성과 자외선 자극을 멈춘 후에도 눈에 띄는 잔광을 보여주었습니다. 잔류성 발광 나노 물질 (Zn2GeO4 : Mn)은 pH가 다른 열수 방법을 사용하여 제조되었습니다 (그림 1A). TEM 이미지는 pH가 9.4인 ZGO: Mn PLNPs가 평균 직경이 약 65nm인 막대 ?...
공개할 것이 없습니다.
저자들은 중국 국립자연과학재단(National Natural Science Foundation of China, 82001945), 상하이 푸장 프로그램(Shanghai Pujiang Program, 20PJ1410700), 상하이공과대학(ShanghaiTech University)의 초기 보조금에 감사를 표한다. 저자들은 ShanghaiTech University의 School of Physical Science and Technology의 고분해능 전자 현미경 센터(ChEM)에 감사를 표합니다. EM02161943) 재료 특성화 지원을 위해. 저자들은 스펙트럼 테스트 및 XRD 테스트 지원에 대해 ShanghaiTech University의 물리 과학 및 기술 대학의 분석 계측 센터(#SPST-AIC10112914)에 감사를 표합니다. 저자들은 또한 재료 특성화에 도움을 준 Jianfeng Li 교수에게 감사를 표합니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
azobisisobutyronitrile (99%) | Macklin | A800354 | Further purification required |
methyl methacrylate(99%) | Sigma-Aldrich | M55909 | Further purification required |
deionized water | Merck | ZEQ7016T0C | Milli-Q Direct Water Purification System |
alkaline aluminum oxide (100-200 mesh) | Macklin | A800033 | |
ammonium hydroxide (25%-28%, wt) | Macklin | A801005 | |
beaker | Synthware | B220100 | |
chromium(III) nitrate nonahydrate (99.95%) | Aladdin | C116448 | |
centrifuge | ThermoFisher Scientific | 75004250 | |
column | Synthware | C184464CR | |
digital camera | Canon | EOS M50 Mark II | |
electric thermostaticdrying oven | Longyue | LDO-9036A | |
ethanol (99.7%) | Greagent | 1158566 | |
gallium nitrate hydrate(99.9%) | Aladdin | G109501 | |
germanium oxide (99.99%) | Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd | 51009860 | |
glass rod | Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd | 91229401 | |
powder X-Ray Diffractometer | D2 PHASER DESKTOP XRD | BRUKER | |
manganese nitrate (98%) | Macklin | M828399 | |
methanol (99.5%) | Greagent | 1226426 | |
nitric acid (65.0-68.0%, wt) | Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd | 10014508 | |
pH meter | Shanghai Leici Sensor Technology Co., Ltd | PHS-3C | |
polyethylene glycol (300, Mw) | Adamas | 01050882(41713A) | |
sealing film | Parafilm | 2025722 | |
sodium hydroxide (GR) | Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd | 10019764 | |
spectrometer | Horiba | Fluorolog-3 | |
transmission electron microscope | JEOL | JEM-1400 Plus | |
transmission electron microscope | JEOL | 2100 Plus | |
triangular funnel | Synthware | F181975 | |
ultrasound machine | centrifuge | JP-040S | |
zinc chloride (98%) | Greagent | 01113266/G81783A |
JoVE'article의 텍스트 или 그림을 다시 사용하시려면 허가 살펴보기
허가 살펴보기This article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. 판권 소유