Up-conversion at the transparent window of water

Our work on the up-conversion enhancement by the plasmonic array is published in ACS Applied Energy Materials. This work is in collaboration with AIST. Congratulations, Gao-kun! / アルミニウムナノアンテナによるアップコンバージョン蛍光増強に関する産総研（池田）との共同研究成果が掲載されました！本研究は水の光吸収の弱い808nm励起でのアップコンバージョン蛍光をアルムニウムナノアンテナで増強した初めての報告です/ This is the first report that achieves the amplification of up-conversion emission by using Al nanoantenna array.

Rare-earth-doped up-converters with Yb³⁺ as a sensitizer show a high internal conversion efficiency under the excitation at wavelength λ = 980 nm. For the solar cell applications of up-converters, however, there is a problem that the solar light at λ = 980 nm is absorbed by the water molecule in the atmosphere. While Nd³⁺ co-doping allows the up-conversion at the transparent window of water around λ = 800 nm, the absorption coefficient of Nd³⁺ is still small due to the forbidden nature of 4f–4f transition. Here, we achieve amplified up-conversion enhancement of 44-fold (8.9-fold) compared to the same layer on the flat glass (on the flat aluminum film) by coupling the Nd³⁺-sensitized up-conversion nanoparticles with the periodic lattice of aluminum nanocylinders under 15 W/cm² of λ = 808 nm excitation. The size of nanocylinders and the period of the lattice are designed to realize the lattice resonance around λ = 800 nm, facilitating the Nd^3+ 4I_9/2 → ⁴F_5/2 transition to yield amplified up-conversion. Numerical simulation indicates that the up-conversion enhancement is induced by an intensified near field accompanied with the excitation of lattice modes, where the in-plane light diffraction facilitates the radiative coupling of localized surface plasmons in each nanocylinder. This is the first demonstration of up-conversion enhancement at the transparent water window at λ = 808 nm by the combination of Al nanostructure and would contribute to the efficient use of solar irradiation./ 増感剤としてYb3 +を使用した希土類ドープアップコンバーターは、波長λ= 980nmでの励起下で高い内部変換効率を示します。しかし、アップコンバーターの太陽電池用途では、λ= 980nmの太陽光が大気中の水分子に吸収されるという問題があります。 Nd3 +の同時ドーピングにより、λ= 800 nm付近の水の透明なウィンドウでのアップコンバージョンが可能になりますが、4f–4f遷移の禁止された性質により、Nd3 +の吸収係数は依然として小さいです。ここでは、Nd3 +増感アップコンバージョンナノ粒子をアルミニウムの周期格子と結合することにより、フラットガラス（フラットアルミニウムフィルム上）の同じ層と比較して44倍（8.9倍）の増幅されたアップコンバージョンの向上を達成しました（5 W / cm2のλ= 808nm励起下)。ナノシリンダーのサイズと格子の周期は、λ= 800 nm付近の格子共鳴を実現するように設計されており、Nd3 + 4I9 / 2→4F5 / 2遷移を促進して、増幅されたアップコンバージョンを生成します。数値シミュレーションは、アップコンバージョンの強化が、格子モードの励起を伴う近接場の強化によって引き起こされることを示しています。この場合、面内光回折により、各ナノシリンダーの局在表面プラズモンの放射結合が促進されます。これは、Alナノ構造の組み合わせによるλ= 808 nmの透明な水窓でのアップコンバージョン増強の最初のデモンストレーションであり、太陽放射の効率的な使用に貢献します。

Up-conversion Luminescence Enhanced by the Plasmonic Lattice Resonating at the Transparent Window of Water, Yuan Gao, Shunsuke Murai, Kenji Shinozaki, Katsuhisa Tanaka

Cite this: ACS Appl. Energy Mater. 2021, 4, 4, 2999–3007

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsaem.0c01826

This work was partly supported by the Nanotechnology Hub, Kyoto University, and the NIMS Nanotechnology Platforms (JPMXP09F19NMC042). We gratefully acknowledge the financial support from Kakenhi科研費 (19H02434, 19K22058, and 19K15663), 大倉和親記念財団Kazuchika Okura Memorial Foundation, the 旭硝子財団Asahi Glass Foundation, Nanotech Career-up Alliance (Nanotech CUPAL). We acknowledge Dr. Feifei Zhang at Kyoto University for the simulation and Dr. Shuai Zhou at Nanjing University of Science and Technology for fruitful discussion on the self-assembly method. Y.G. is grateful for the support from the Japan Society for Promotion of Science (JSPS) 海外特別研究員Fellowship (grant no. 18J14889).