Aufwärtskonvertierungsmaterialien beziehen sich auf Substanzen oder Verbindungen, die die Fähigkeit besitzen, Photonen niedrigerer Energie (normalerweise Infrarot oder nahes Infrarot) durch einen nichtoptischen linearen Prozess in Photonen höherer Energie (sichtbares oder ultraviolettes Licht) umzuwandeln. Bei diesem Prozess werden zwei oder mehr Photonen niedriger Energie absorbiert und ein einzelnes Photon mit höherer Energie emittiert. Upconversion-Materialien bestehen oft aus Seltenerdionen, die in Wirtsmaterialien wie Kristalle oder Nanopartikel dotiert sind, wo Energieniveaus und elektronische Übergänge eine effiziente Photonenumwandlung ermöglichen.
Top-Bypass wird für verschiedene Anwendungen in allen Bereichen wie Optik, Photonik und biomedizinischen Wissenschaften eingesetzt. In der Optik und Photonik werden Upconversion-Materialien verwendet, um Infrarotlicht in sichtbares Licht umzuwandeln, was eine höhere Empfindlichkeit von Bildgebungs- und Sensorsystemen ermöglicht, die im nahen Infrarotspektrum arbeiten. In biomedizinischen Anwendungen wird die Aufwärtskonversion für die Biobildgebung eingesetzt, wo sie im Vergleich zu herkömmlichen Fluoreszenzbildgebungstechniken eine tiefere Gewebepenetration und eine geringere Autofluoreszenz ermöglicht. Upscaling findet auch in der Photovoltaik Anwendung, um die Effizienz von Solarzellen zu verbessern, indem Infrarotlicht gesammelt wird, das herkömmliche Materialien nicht absorbieren können.
Zu den bei der Photonen-Upconversion verwendeten Materialien gehören typischerweise Seltenerdelemente wie Erbium (ER), Ytterbium (YB) und Thulium (TM), dotiert in Wirtsmatrizen wie Yttriumoxid (Y2O3), Yttriumnatriumfluorid (Nayf4) oder andere geeignete kristalline oder nanopartikuläre Formen. Diese Materialien werden aufgrund ihrer Fähigkeit ausgewählt, mehrere Photonen niedriger Energie zu absorbieren und Photonen höherer Energie effizient zu emittieren. Dotierungskonzentration, Kristallstruktur und Anregungswellenlänge sind entscheidende Parameter, die die positive Konversionseffizienz und die spektralen Eigenschaften dieser Materialien beeinflussen.
Unter Aufwärts- und Abwärtskonvertierung versteht man Prozesse, bei denen die Frequenz (und damit die Energie) von Photonen entweder erhöht (Aufwärtskonvertierung) oder verringert (Abwärtskonvertierung) wird. Bei der Aufwärtskonvertierung werden niederenergetische Photonen absorbiert und kombiniert, um ein einzelnes Photon mit höherer Energie zu emittieren, normalerweise im sichtbaren oder ultravioletten Bereich. Dieser Prozess ist nichtlinear und erfordert bestimmte Energieniveaus und Übergänge im Material. Bei einer geringeren Umwandlung werden dagegen Photonen mit höherer Energie in Produkte mit niedrigerer Energie umgewandelt, häufig für Anwendungen wie wellenlängenverschiebende Materialien in Leuchtstofflampen oder zur Umwandlung von ultraviolettem Licht in sichtbares Licht in Phosphormaterialien.
Upconversion-Nanopartikel für Biosensoren sind Nanopartikel, die in Upconversion-Materialien integriert sind und speziell für die Erkennung und Analyse von Biomolekülen in biologischen Proben entwickelt wurden. Diese Nanopartikel wandeln Infrarot- oder Nahinfrarotlicht, das biologisches Gewebe effektiver durchdringt als sichtbares Licht, in sichtbares Licht um, das leicht erkannt und analysiert werden kann. Aufwärtskonvertierende Nanopartikel bieten Vorteile wie eine erhöhte Empfindlichkeit, einen reduzierten Autofluoreszenzhintergrund und die Möglichkeit, eine Multiplex-Detektion mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen aus einer einzigen Quelle durchzuführen. Sie werden in verschiedenen Biosensoranwendungen eingesetzt, darunter die Erkennung von Biomarkern, die Überwachung der Arzneimittelabgabe und die molekulare Bildgebung in lebenden Organismen.