Magneto-optische eigenschappen van bi-functionele nanodeeltjes

Het onderzoek naar de fotoluminescentie van bifunctionele nanodeeltjes gedoteerd met lanthanoïden, heeft in de laatste jaren een vlucht genomen. Hun magneto-optische eigenschappen, alsook de energieoverdracht tussen de verschillende zeldzame aardmetaalionen en verschillende structuren zijn tot op vandaag nog niet volledig opgehelderd. Dat verhindert de toepassing van deze materialen in bijvoorbeeld kernspintomografie, navigatiesystemen, en de optische detectie van magnetische velden.

In het bijzonder is er in voorgaand onderzoek naar deze bifunctionele nanodeeltjes veelvuldig gerapporteerd over hun fotoluminescente eigenschappen, maar slechts zelden de wisselwerking tussen de optische en magnetische eigenschappen bestudeerd. In dit proefschrift onderzoeken we op systematische wijze de optische, magnetische en opto-magnetische eigenschappen van lanthanoïde gedoteerde bifunctionele nanodeeltjes, die ons toelaat deze interactie te verklaren. Dit gebeurt door middel van nanodeeltjes met diverse structuren en doteringsgraden, in magnetische velden en bij lage temperaturen. Daarenboven berichten we over een nieuw gevonden fenomeen waarbij een magnetisch veld wordt afgeschermd op nanoschaal, door gebruik te maken van een fluorescente sonde, waarvan de intensiteit gevoelig is aan het aangelegde magnetische veld. Deze doctoraatsverhandeling is een studie naar de energietransfermechanismen in bifunctionele nanodeeltjes, het beheersen van hun magneto-optische eigenschappen, en het afschermen van magnetische velden op de nanoschaal.

In Hoofdstuk 1 wordt de achtergrond van het onderzoek naar deze nanodeeltjes geïntroduceerd. De zogenaamde ‘upconversie’ en de fotoluminescentie worden in het eerste deel behandeld. In het tweede, derde en vierde deel worden respectievelijk hun magnetische en magneto-optische eigenschappen besproken. In het vierde en laatste deel van dit hoofdstuk, wordt magnetische afscherming behandeld.

In Hoofdstuk 2 komt de experimentele bereiding van de kern-schil nanodeeltjes aan bod, en wordt een overzicht gegeven van de gebruikte karakterisatietechnieken (o.a. XRD, TEM en SQUID). Meer specifiek worden er in detail de faciliteiten voor het aanleggen van intense mangeetpulsen en lage temperaturen behandeld.   

In Hoofdstuk 3 wordt de energieconversie in kern-schil nanodeeltjes behandeld, meer bepaald in (Na(Gd0.8Yb0.18Tm0.02)F4 @ NaLnF4 (genoteerd als kern @ schil, waar ‘Ln’ staat voor lanthanoïde). Deze nanodeeltjes worden in diverse structuren gesynthetiseerd voor luminescentie upconversie van 980 nm naar 800 nm. We observeren in (Na(Gd0.8Yb0.18Tm0.02)F4@NaGdF4) kern-schil nanodeeltjes een veel intensere infrarood emissie met als golflengte 800 nm dan in de nanodeeltjes die enkel uit de kern bestaan. Deze emissie kan nog verder vergroot worden door te werken met een  NaYF4 schil in plaats van een NaGdF4 schil. We dragen het breken van de kristalveldsymmetrie aan als een van de belangrijkste oorzaken voor het opschalen van de upconversie emissie. De sleutelrol van deze symmetriebreking wordt verder opgehelderd door de studie naar de energietransfer van het Er3+ ion in de schil naar het Tm3+ ion in de kern van dit nanodeeltje.

In Hoofdstuk 4 worden nanodeeltjes met Dy3+ ionen in de kern in plaats van Y3+ vervaardigd. Dy3+ heeft het sterkste magnetische moment van alle zeldzame aardmetalen omwille van spin-orbitaalkoppelingseffecten. Na(Y0.8-xDyxYb0.18Er0.02)F4 (met Dy3+ concentraties x=0, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%) worden gesynthetiseerd in een solvothermaal methode. Zowel de magnetisatie als de optische eigenschappen hangen af van de Dy3+ concentratie. Bovendien vinden we dat de magnetisatie in Na(Y0.8-xDyxYb0.18Er0.02)F4 op niet-monotone wijze gerelateerd is aan de Dy3+ concentratie, hetgeen erop kan duiden dat er een zekere magnetische koppeling is tussen de Dy3+  ionen, en anti-ferromagnetische koppeling van de magnetische domeinen van Dy3+, Y3+, Yb3+ en/of Er3+ ionen. Eén van de belangrijkste conclusies van deze studie is dat, voor een gelijktijdige controle van de fotoluminescentie emissie en magnetisatie, de optimale Dy3+ doteringsgraad rond de 15% ligt. Dit biedt perspectief voor het simultaan controleren van de magnetische en optische eigenschappen in bifunctionele nanodeeltjes

In Hoofdstuk 5 beschouwen we de invloed van magneto-optische eigenschappen op de fotoluminescentie van verschillende nanostructuren onder invloed van een magnetisch veld, bij temperaturen van 6 K en 80 K. Door middel van systematisch onderzoek vinden dat de fotoluminescentie van nanodeeltjes met een kern van Na(Gd0.8Yb0.18Er0.02)F4 beïnvloed kan worden via temperatuur, magnetisch veld, en dotering met verschillende lathanoïde ionen. Verder wordt een magnetische afschermingseffect op nanoschaal waargenomen en besproken. Deze bevindingen vormen een nieuwe weg voor het toepassen van magnetische afscherming op de nanoschaal, gebaseerd op fluorescente sondes die gevoelig zijn aan magnetisch veld.

Uiteindelijk wordt een vooruitzicht gegeven op verder onderzoek naar energieconversie, magneto-optische effecten in bifunctionele nanodeeltjes, en magnetische afscherming op de nanoschaal.