Metal enhanced Förster resonance energy transfer in tetracene doped anthracene crystals for efficient Down-conversion

The following work shows the analysis related to electronic and optical properties of systems constituted by Tetracene doped Anthracene crystals. These kind of systems, defined as TDAC, result particularly interesting for sectors as those of lasers, transistors and luminescent solar concentrators thanks to their ability to generate resonance energy transfer phenomena (RET) by which the donor species, in this case Anthracene, absorbs the energy provided by an incoming electromagnetic radiation at a certain wavelength transferring it to the acceptor species, Tetracene, which will reemit at a higher wavelength (lower energy) with respect that of the initial radiation. In relation to this, it is possible to exploit these mechanisms in order to obtain efficient Down-Conversion (DC) systems. Once verified the TDAC ability to generate FRET phenomena, the work has proceeded inserting the Anthracene doped crystals in polymer solutions obtained from two matrixes characterized by deeply different properties in terms of solubility and molecular mobility: poly (methyl methacrylate) (PMMA) and poly (butyl methacrylate) (PBMA); from these solutions, through spin coating, thin flexible films, easily usable in laboratory devices, have been prepared. The goal was not only that to verify absorption and emission response changes and microstructure variations in the Anthracene doped crystals inside the two different polymer matrixes but, also that to verify an eventual response change in relation to the solvent and polymer amount used and to determine the polymer which provides the best environment for energy transfer phenomena. Subsequently, it has been verified a possible FRET efficiency enhancement through silver nanoparticles injection in the polymer matrixes already containing TDAC; particular attention has been payed to the metal nanoparticle amount and the addition modality. In fact, thanks to the resonant coupling between nanoparticles free electron collective oscillation (plasmons) and an incident electromagnetic radiation, an enhanced electric field is generated near nanoparticles surface leading to an enhanced energy transfer process; this process is known as Metal-FRET (ME-FRET). From the analysed samples absorption and emission measurements and from their microstructure images, it has been shown that TDAC maximum efficiency, both in FRET and ME-FRET phenomena, is reached in matrixes with low solubility inside which small and homogeneously distributed crystals can form, exactly as in PMMA case.

Il seguente lavoro mostra un’analisi delle proprietà elettroniche ed ottiche di sistemi costituiti da cristalli di Antracene drogati con Tetracene. Tali sistemi, definiti “Tetracene doped Anthracene crystals” (TDAC), risultano particolarmente interessanti, soprattutto in settori relativi ai laser, transistors e concentratori di luce solare, per la capacità di dare luogo a fenomeni di trasferimento di energia per risonanza (RET) grazie ai quali il donatore, in questo caso l’Antracene, assorbe energia proveniente da una radiazione elettromagnetica ad una data lunghezza d’onda trasferendola all’accettore, il Tetracene, il quale riemetterà ad una lunghezza d’onda più alta (e quindi ad energia più bassa) rispetto alla radiazione iniziale. In virtù di questo, è possibile sfruttare tali meccanismi al fine di ottenere sistemi per efficienti processi di Down-Conversion (DC). Una volta verificata la capacità dei TDAC di generare fenomeni di FRET, il lavoro è proseguito con l’introduzione dei cristalli di Antracene drogato in soluzioni polimeriche realizzate con due differenti matrici che si distinguono per proprietà radicalmente diverse in termini di solubilità e mobilità molecolare: polibutilmetacrilato (PBMA) e polimetilmetacrilato (PMMA); a partire da queste soluzioni sono stati realizzati, tramite spin-coating, film flessibili che possono essere facilmente utilizzati nei dispositivi di laboratorio. L’obiettivo è stato non solo quello di verificare variazioni sostanziali in termini di risposte in assorbimento ed emissione e nella microstruttura da parte dei cristalli drogati di Antracene nelle due diverse matrici polimeriche, ma anche quello di valutare un’eventuale cambiamento di risposta in relazione alle quantità di solvente e di polimero utilizzate e di determinare l’ambiente polimerico più adatto allo sviluppo dei fenomeni di trasferimento di energia. Successivamente è stato valutato un possibile incremento nell’efficienza dei fenomeni di FRET grazie all’introduzione di nanoparticelle metalliche di argento all’interno delle matrici polimeriche già contenenti i TDAC ponendo particolare attenzione alle quantità e alle modalità di introduzione delle particelle. Infatti, grazie all’accoppiamento risonante tra l’oscillazione collettiva degli elettroni liberi delle nanoparticelle (plasmoni) e una radiazione elettromagnetica incidente, si crea un campo elettrico intensificato in prossimità della superficie delle nanoparticelle stesse il quale può permettere un incremento nei meccanismi di trasferimento di energia; in questo caso di parla di ME-FRET (Metal-FRET). Dalle misure di assorbimento e di emissione dei vari campioni analizzati e dalle relative immagini microstrutturali si è potuto vedere che la massima efficienza dei TDAC, sia nei processi di FRET che di ME-FRET, viene raggiunta in matrici con bassa solubilità in cui i cristalli possiedono piccole dimensioni e risultano omogeneamente distribuiti nel campione, come nel caso del PMMA.