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兰州大学研究团队在发光测温技术领域取得重要进展

2024-08-30 17:45

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

近日，兰州大学材料与能源学院王育华教授课题组在发光测温技术领域取得了新进展。Sm2+离子受益于多个热耦合激发态，从而扩大了测温范围，并具有强宇称允许的 4f6→4f55d1吸收，从而增加了亮度。同时通过优化Sm²⁺的掺杂浓度和基质，显著提高了温度测量的精度和灵敏度，成功地在350到700K的温度范围内实现了高精度的温度测量，并且通过探测发光寿命将温度测量范围扩展到了775 K。这些研究结果表明，Sm²⁺掺杂材料在较宽的温度范围内具有优越的测温性能，为发光测温技术的发展提供了新的解决方案和理论依据。

温度是科学中最常用的测量数据之一。在古代中国和希腊，人们已经认识到温度的重要作用。温度的重要性表现在它作为国际单位制(SI)七个基本单位之一的量度单位上。当人们意识到80%的传感器市场涉及到温度传感时，温度传感的经济重要性就变得清晰起来。温度的精确测量在化学反应器、催化、医学生物学、微流控以及（微）电子学等领域中具有重要意义。这些领域通常要求温度测量具有高精度。传统的温度测量方法，如液体热膨胀、金属电阻变化或热电偶的热电效应，虽然应用广泛，但难以实现远程测量和高空间分辨率。相比之下，远程温度传感方法具有固有的优势，能够避免通过直接接触环境进行热量散失。在远程测温技术中，红外热成像技术因其基于温度依赖的黑体辐射原理而被广泛使用。然而，这种技术仅限于表面温度测量，且空间分辨率有限。另一种引起显著关注的远程温度传感方法是发光温度传感技术。这种技术利用发光探针的温度依赖特性，如峰值位置、峰值强度或发射寿命进行测温。目前，用于温度传感的发光材料主要依赖于两个紧密间隔的发射能级之间的发光强度比 (LIR)，例如 Er3+离子的 4S3/2-2H11/2能级。在LIR温度测量中，通过分析源自这两个热耦合激发能级的发射强度比来确定温度。该方法非常可靠，结果不会被实验条件的变化所影响。

图1. (A)424 nm 激发的 BaFBr: 1% Sm2+的归一化变温发射光谱显示Sm2+不同激发态的辐射跃迁。(B)5D0→7FJ、5D1→7FJ和4f55d1→7FJ(J = 0, 1, 2) 发射的归一化积分强度随温度的变化。(C)Ln(Ii/I1)为5D1/5D0和4f55d1/5D0强度比与1/T的关系。(D)不同Sm2+掺杂浓的BaFBr样品的LIR对数与1/T的关系图。

然而，基于玻尔兹曼定律的双激发能级温度计存在两个问题。1）玻尔兹曼的平衡条件并不总是被满足。在较低温度下，两个发射能级之间的跃迁热化速率慢于任一能级的辐射衰减速率，导致偏离玻尔兹曼行为，影响测量精度。2）相对灵敏度的下降。最佳测温范围由ΔE决定，ΔE在2到3.4 kBT之间时灵敏度良好，但随着温度升高灵敏度会迅速下降。因此，寻找到一种可以在较宽的温度范围内、实现温度精确测量的方法至关重要。

为解决上述关键科学问题，王育华教授课题组对Ba(Sr)FX(Cl, Br): 1%Sm2+的LIR与温度依赖性以及5D0、5D1和4f55d1发射的寿命与温度的依赖性进行了研究。来自多个热耦合能级(5D0、5D1和4f55d1)的发射允许使用不同的与温度相关的LIR，继而实现在350至700K宽温度范围内拥有较高的相对灵敏度[图1(C)]。与等电子的Eu3+不同，通过改变Sm2+浓度，没有观察到玻尔兹曼行为起始温度的变化，这表明交叉弛豫过程对平衡没有实质性贡献[图1(D)]。此外研究了Ba(Sr)FX(Cl, Br): 1%Sm2+中发射寿命与温度的关系，将温度测量范围扩大到775 K，同时相对灵敏度也得到了提高。结果表明，Sm2+在温度的测量上是一种很有前途的离子，制备的温度探针可以在很宽的温度范围内提供较高精度的测量。

相关研究成果以 “High-sensitivity luminescent temperature sensors: MFX:1%Sm2+(M = Sr, Ba, X = Cl, Br)”为题于2024年8月14日发表在《科学进步》[Sci.Adv.10,eado7737 (2024)]。

兰州大学材料与能源学院博士生崔立志与董志杰为论文共同第一作者，王育华教授和荷兰皇家科学院院士、兰州大学兼职教授Andries Meijerink为通讯作者。论文合作者包括上海理工大学光电信息与计算机工程学院禹德朝教授。该项研究工作得到了国家自然科学基金的资助。