Materiais de conversão ascendente referem-se a substâncias ou compostos que têm a capacidade de converter fótons de energia mais baixa (geralmente infravermelho ou infravermelho próximo) em fótons de energia mais alta (luz visível ou ultravioleta) por meio de um processo linear não óptico. Este processo envolve a absorção de dois ou mais fótons de baixa energia e a emissão de um único fóton de maior energia. Os materiais de conversão ascendente geralmente consistem em íons de terras raras dopados em materiais hospedeiros, como cristais ou nanopartículas, onde os níveis de energia e as transições eletrônicas permitem a conversão eficiente de fótons.
O bypass superior é usado para diversas aplicações em todos os campos, como óptica, fotônica e ciências biomédicas. Em óptica e fotônica, materiais de conversão ascendente são usados para converter luz infravermelha em luz visível, permitindo maior sensibilidade de sistemas de imagem e detecção que operam no espectro do infravermelho próximo. Em aplicações biomédicas, a conversão ascendente é usada para bioimagem, onde permite uma penetração mais profunda nos tecidos e uma autofluorescência reduzida em comparação com as técnicas convencionais de imagem por fluorescência. O upscaling também é usado na energia fotovoltaica para melhorar a eficiência das células solares, coletando luz infravermelha que os materiais convencionais não conseguem absorver.
Os materiais usados na conversão ascendente de fótons normalmente incluem elementos de terras raras, como érbio (ER), itérbio (YB) e túlio (TM), dopados em matrizes hospedeiras, como óxido de ítrio (Y2O3), fluoreto de ítrio e sódio (Nayf4) ou qualquer outro formas cristalinas ou de nanopartículas adequadas. Esses materiais são escolhidos por sua capacidade de absorver vários fótons de baixa energia e emitir com eficiência fótons de alta energia. A concentração de dopagem, a estrutura cristalina e o comprimento de onda de excitação são parâmetros críticos que influenciam a eficiência de conversão positiva e as características espectrais desses materiais.
A conversão ascendente e a conversão descendente referem-se a processos em que a frequência (e, portanto, a energia) dos fótons é aumentada (conversão ascendente) ou diminuída (conversão descendente). Na conversão ascendente, os fótons de baixa energia são absorvidos e combinados para emitir um único fóton com energia mais alta, geralmente na faixa visível ou ultravioleta. Este processo não é linear e requer níveis de energia e transições específicas no material. A conversão inferior, por outro lado, envolve a conversão de fótons de maior energia em produtos de menor energia, muitas vezes para aplicações como materiais de mudança de comprimento de onda em lâmpadas fluorescentes ou para converter luz ultravioleta em luz visível em materiais de fósforo.
Nanopartículas de conversão ascendente para biossensores são nanopartículas integradas com materiais de conversão ascendente, projetadas especificamente para detectar e analisar biomoléculas em amostras biológicas. Essas nanopartículas convertem a luz infravermelha ou infravermelha próxima, que penetra nos tecidos biológicos de forma mais eficaz do que a luz visível, em luz visível que pode ser facilmente detectada e analisada. As nanopartículas de conversão ascendente oferecem vantagens como maior sensibilidade, redução do fundo de autofluorescência e a capacidade de realizar detecção multiplexada usando diferentes comprimentos de onda de emissão de uma única fonte. Eles são usados em diversas aplicações de biossensor, incluindo detecção de biomarcadores, monitoramento de entrega de medicamentos e imagens moleculares em organismos vivos.