Amplificación de la luminiscencia de nanomateriales dopados con

Amplificación de la luminiscencia de nanomateriales dopados con tierras raras mediante la adición de nanopartículas metálicas.
Dr. Luis Octavio Meza Espinoza

Instituto de Física LRT - BUAP
Colegas
Dr. J. Jesús Arriaga Rodríguez (Benemérita Universidad Autónoma de San Luis Potosí)
Dr. N. Rutilo Silva González (Benemérita Universidad Autónoma de San Luis Potosí)
Dra. Zorayda Lazcano (Universidad Autónoma del Estado de Morelos)
Dr. José Elías PérezLópez (Universidad Autónoma de San Luis Potosí)
Dr. Celso VelásquezOrdóñez (Universidad de Guadalajara)
Dr. Luis Armando Díaz Torres (Centro de Investigaciones en Óptica)
Dr. Marco Antonio Escobar Acevedo (Universidad de California)
Alumnos
M.C. Karely Chamé Fernández. Ing. Sandra Julieta Gutiérrez Ojeda
M.C. Elvira Vargas Rodríguez Lic. Diana Carrasco Sánchez
M.C. Edgar Giovanny Villabona
M. I. César Octavio Macías González
Índice
Introducción
Pantallas

Láseres

Biomarcadores

Marcas de Seguridad

Fibras ópticas

Arte
Luminiscencia
Laluminiscencia es la emisión de luzde cualquiersustancia y es debido a la existenciade niveleselectrónicos excitados.

Formalmente se divide en dos dependiendo de la naturalezade susestados excitados

Fluorescencia
Fosforescencia
¿Porque nos interesa?
Entender la física de los procesos luminiscentes
Necesidad de modelos que reduzcan el numerode ensayos experimentales, permitan caracterizar, optimizar y predecir su comportamiento.
TheodorFörster
(1910–1974)
in his favorite words:

“Die richtige Deutung einer Beobachtung” (The correct interpretation of an observation).
FRET–FörsterResonance Energy Transfer: From Theory to Applications,First Edition.
“Brains seem to be more important than fancy equipment or powerful computers”
Teoría de Förster (1948)
Zeitschrift für Physik, 11 (1922)

Ober Zerlegung yon Wasserstoffmolekiilen
durch angeregte Quecksilberatome.
Von G. Carlo und J. Franck

Bemerkung iiber Anregungs- und Ionisierungsspannung des Heliums.
Von J. Franck



Quantentheoretische Bemerkungen zum Experiment yon Stern und Gerlach.
Von A. Einstein in Berlin
Producción científica
Tiene pocos artículos publicados
Transfer in a Random System
Las Moléculas estar distribuidas aleatoriamente en un espacio tridimensional.

La trasferencia de energía solo es posible del donante al aceptor, pero no en dirección opuesta
El tamaño del material es infinito
Los dos entes son resonantes y una vez que el aceptor adquiere la energía del donante no existe vibración del aceptor dentro de la red
Tasa de trasferencia del dónate al aceptor
La dinámica luminiscente de los donantes esta regida por:
Probabilidad de que el i-esimodonante se encuentre excitado o en estado base
Probabilidad de que elj-esimoaceptorse encuentre excitado o en estado base
Distancia entre el i-esimodónate al j-esimoaceptor
Micro parámetro de interacción
Tiempo de vida radiativo
Conservación de la probabilidad
Muy pocos iones son excitados por el bombeo
Entonces
Ecuación de variable separable
Promedio de todos los donantes dentro del material
Caso de una esfera
Solucionando la integral
La probabilidad promedio de los donantes es
Estados singlete y triplete
Singlete: los electrones están ligados con un espín opuesto al segundo del estado base. (S=0). Los tiempos de vida son del orden de 10ns fluorescencia



Triplete: los electrones tienen el espín en la orientación al electrón del estado base. (S=1). Los tiempos de vida son del orden de 1ms a segundos. Fosforescencia
Entender lafísicade los procesos luminiscentes
Necesidad de modelosquereduzcan elnumerode ensayosexperimentales, permitancaracterizar, optimizar y predecir su comportamiento.
Las propiedades luminiscentes de los nanocristales dependen de:
Concentración de dopantes
Tipos de dopantes
Material anfitrión
Fase, tamaño y forma de nanocristal
Bombeo de la muestra

¿Es posible modelar las propiedades luminiscentes en función de estos parámetros?
Es posible predecir las propiedades luminiscentes experimentales en función de este(os) modelo(s)?
Solución
Condición inicial de los donantes
Numero de donantes
donde
f(R) Función de densidad de probabilidad
Nanomaterial amorfo
Nanomaterial Cristalino
Función de densidad de probabilidad
Macro material
Tiempos de vida
Tiempos de vida
Proceso de transferencia en sistemas aleatorios finitos (donantes centrados)
Linea
Plano
Esfera
Proceso de transferencia en sistemas aleatorios finito (donantes no centrados)
Proceso de transferencia en sistemas aleatorios finito
(donantes no centrados)
Solución general para los tres sistemas nanometricos
Solución general para los tres sistemas macroscopicos
a es la dimensionalidad
Linea
Plano
Esfera
Efecto de la distancia de Förster en nano sistemas
linea punteada MODELO DE BULTO
linea continua MODELO NANO
Efecto de la concentración en nano sistemas
Efecto posicion en nano sistemas (lineal)
Efecto posicion en nano sistemas (esfera)
Luminescent properties of TiO2 nanocrystals decorated with Eu3+ ions.
Amplificación de la luminiscencia de nanomateriales dopados con tierras raras mediante la adición de nanopartículas metálicas
- Jiang Tao, Liu Ye, Liu Shunsen, Liu Ning. Journal of Colloid and Interface Science (2012) 377:81-87
- Liu Yanling, Song Feng, Liu Jiadong. Chemical Physics Letters (2013) 565:98-101
- Anijad J. Raja, P. Sahar M.R., Ghosahl S.K. Journal of Luminescence (2012) 132:2714-2718
- Wu Yi, Xu Tiefeng, Shen Xiang. IEEE (2011) 1464-1467
Octavio Meza, Luis A. Diaz-Torres,
Pedro Salas, Elder De la Rosa. JOSA B, Vol. 28,
Issue 4, pp. 649-657 (2011)
Para aumentar la intensidad se tiene que aumentar la potencia de Bombeo
Las nanopartículas metálicas aumentan el campo eléctrico localmente
¿Cual es el secreto?
U. Hohenester and A. Trügler, Comp. Phys. Commun. 183, 370 (2012).
La amplificación del campo eléctrico se puede modelar
¿Que es lo que no se ha hecho?
Los artículos a la fecha son totalmente experimentales.

● No hay estudios sobre la dinámica luminiscente

● Aun no existe una explicación cuantitativa en términos de procesos físicos

● No se ha usado en aplicaciones tecnológicas
Objetivos Generales
El objetivo central de este proyecto de investigación consiste en lograr amplificar la luminiscencia de materiales como el óxido de zirconio (ZrO2) mediante el dopaje de este con tierras raras como el erbio (Er) y la adición de nanopartículas metálicas.
Objetivos Específicos
1.-Sintetizar materiales luminiscentes dopados con tierras raras sensibilizados con nanopartículas de oro o/y plata

2.-Encontrar las condiciones óptimas para la amplificación de la luminiscencia

3.-Explicar cuantitativamente el proceso de trasferencia de energía
Sintesis ZrO2:Er/Ag
Se llevaron a cabo 21 síntesis por el método de Sol-Gel
En el primer grupo se sintetizaron 10 experimentos, se produjeron 0.5g de oxido de zirconio (ZrO2) por el método de sol-gel, estas síntesis varían en la concentración de la tierra rara y las nanopartículas de plata con la cual se dopa el material huésped. El orden y las cantidades de los compuestos utilizados son las siguientes:

1. Alcohol isopropano (2-propanol), 0.032456mol
2. Acetil acetona, 0.004057mol
3. Alcóxido de zirconio, 0.004057mol
4. Agua bidestilada, 0.0162mol
Muestras de óxido de zirconio calcinadas a 1000ºC.
espectro de excitacion
Se denomina estocástico (del latín stochasticus, que a su vez procede del griego στοχαστικός, "hábil en conjeturar")1 al sistema cuyo comportamiento es intrínsecamente no determinista. Un proceso estocástico es aquel cuyo comportamiento es no determinista, en la medida que el subsiguiente estado del sistema está determinado tanto por las acciones predecibles del proceso como por elementos aleatorios.
Un proceso estocástico es aquel cuyo comportamiento es no determinista, en la medida que el subsiguiente estado del sistema está determinado tanto por elementos aleatorios.
Red neuronal artificial
Entrenamiento
prediccion