Untersuchung der Keimbildung und Fluoreszenz von NaYF4:Yb,Er-Nanopartikeln mit Größen von unter 10nm
Rinkel, Thorben - Universität Osnabrück (2015)
In dieser Arbeit ist das Wachstumsverhalten von unter 10nm großen, aufwärtskonvertierenden NaYF4-Nanokristallen der hexagonalen und kubischen Phase untersucht worden. Die Ostwald-Reifung solcher Partikel in Ölsäure/1-Octadecen führt zu einer Verbreiterung der Partikelgrößenverteilung, falls das Kolloid nur aus Partikeln einer Kristallphase besteht. Eine schmale Teilchengrößenverteilung tritt nur dann auf, wenn die Partikel der β-Phase in Anwesenheit eines Überschusses von Partikeln der α-Phase wachsen. Solche binären Gemische aus Partikeln der α- und β-Phase entstehen, sobald Kolloide aus Partikeln der α-Phase für eine genügend lange Zeit erhitzt werden, denn bei hohen Temperaturen nukleieren Keime der β-Phase nach einer gewissen Zeit. Weil durch die Anzahl der Keime die finale Partikelgröße des Produkts der β-Phase bestimmt wird, ist eine Kontrolle der Nukleation wichtig um die finale Partikelgröße steuern zu können. Es wird gezeigt, dass die Anzahl der Keime der β-Phase stark abhängig von der Zusammensetzung der Partikel der α-Phase ist, die als Ausgangsmaterial verwendet werden. Die α-Phase ist dafür bekannt Na1-xYF4-x-Mischkristalle mit Zusammensetzungen von x=0 bis x=4/9 zu bilden. Bei natriumarmen Partikeln der α-Phase entstehen eine geringe Anzahl an Keimen der β-Phase, wobei Partikel der α-Phase mit einem hohen Gehalt an Natrium eine große Anzahl an Keimen bilden. Durch die Ausnutzung dieser Abhängigkeit und der dementsprechenden Modifizierung der Synthese der Partikel der α-Phase, können in Ölsäure/1-Octadecen kleine, phasenreine β-NaYF4:Yb,Er-Partikel mit Größen von unter 6 nm, sowohl als auch deutlich größere Partikel erhalten werden.
Weiterhin wird gezeigt, dass Mischungen von α- und β-Partikeln auch sehr gut für die Synthese von Kern/Schale-Partikeln geringer Größe geeignet sind. Durch die Reaktion von Natriumoleat, Seltenerdoleat und Ammoniumfluorid werden zunächst etwa 5nm große β-NaYF4:Yb,Er-Kernpartikel gebildet, wobei ein hohes Verhältnis von Natrium- zu Seltenerdionen die Nukleation einer großen Anzahl von Keimen der β-Phase begünstigt. Anschließend wird eine etwa 2nm dicke Schale aus β-NaYF4 aufgewachsen, wobei 3-4nm große α-NaYF4-Partikel als Vorläuferpartikel für das Schalenmaterial dienen. Im Gegensatz zu den Kernpartikeln werden diese Partikel der α-Phase jedoch mit einem geringen Verhältnis von Natrium- zu Seltenerdionen hergestellt, welches die unerwünschte Nukleation von β-NaYF4-Partikeln während des Schalenwachstums wirksam unterdrückt. Diese neue Methode zur Herstellung sehr kleiner aufwärtskonvertierender Kern/Schale-Nanokristalle kommt ohne zusätzliche Kodotierung der Kernpartikel aus und liefert Partikel im Gramm-Maßstab.