用于温度传感的NaY(Lu)F4:RE和Y2O3:RE发光特性研究

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温度是最基本的热力学物理量之一,其测量在工业生产、生命医学、科学研究以及人们的日常生活中都有极其重要的地位。传统的基于热接触式的温度计,诸如,玻璃液体温度计、热电偶、电阻温度计等,在过去的几十年里已经在各个领域都发挥了很重要的作用。然而,随着科技进步和社会发展,对温度的控制和测量都提出了更高更复杂的要求。在很多情况下,由于其内在属性的限制,传统温度计根本无法满足测量需求。例如,在腐蚀性环境、电磁干扰环境下的温度测量,微小电子元器件、细胞、快速移动物体的温度测量等。因此,发展具有较高的空间和温度分辨率,并且能够实现快速响应的非接触式温度传感器具有非常重要的现实意义。稀土离子荧光强度比技术用于温度传感被认为是一种很有应用前景的非接触式光学温度传感技术。相比于基于绝对发光强度的测温方案,测量荧光强度比可以有效地避免测量过程中的荧光损失、发光中心的多寡等非温度因素引起的测量误差。本论文的研究工作主要包括基于稀土离子热耦合能级荧光强度比技术的温度传感以及为突破热耦合条件对相对探测灵敏度的限制提出的两种新的荧光强度比测温方案。第一章绪论部分,我们首先介绍了非接触式光学温度传感研究的必要性,然后对发光的基本原理、稀土离子的发光性质、稀土发光材料、上转换发光过程做了简单的介绍。详细介绍了热耦合能级荧光强度比测温的基本原理、研究现状以及存在的问题。第二章研究了基于稀土离子(Er3+、Pr3+、Ho3+)热耦合能级荧光强度比技术的温度传感。利用水热法合成了Yb3+/Er3、Pr3+、Yb3+/Ho3+离子掺杂的β-NaY(Lu)F4微米级粉末材料。利用X射线衍射和扫描电子显微镜对样品结构和形貌做了表征。在980nm激发下,测量了β-NaYF4:20%Yb3+,2%Er3+粉末样品中Er3+在160-300K温度范围内的变温上转换发射光谱,研究了Er3+的热耦合能级2H11/2与4S3/2的荧光强度比随温度的依赖关系。分析了该温度范围内的相对探测灵敏度。通过研究不同功率的980nm激光激发下得到的荧光强度比,指出了980nm激发光对样品的加热效应。通过直接激发激活剂离子可以有效的避免激光加热效应,另外,对于具有较小能级差的热耦合能级,上能级在低温下仍然可以具有比较可观的粒子数占据。为此,我们研究了低温120-300K温度范围内β-NaYF4:0.8%Pr3+粉末材料中Pr3+的3P1/116与3P0能级的荧光强度比随温度的依赖关系。由于该能级差较小,即使是在很低的温度范围内上能级也有比较可观的发光强度,具有较大的测量优势。在室温附近的绝对探测灵敏度约为β-NaYF4:Yb3+/Er3+体系的5倍。根据热耦合能级测温原理,相对灵敏度正比于能级间隔。我们研究了β-NaLuF4:10%Yb3+,0.5%Ho3+粉末样品中Ho3+在390-780K温度范围内的变温上转换发射光谱,验证了5F1/5G6和5F2,3/3K8能级之间的热耦合性质。由于该能级间隔相比于其他大多数稀土离子的热耦合能级间隔要大,所以该体系的相对测温灵敏度超过了绝大多数基于相同荧光强度比技术的测温体系。同时,我们利用低温下的上转换发射光谱以及上转换功率依赖关系等指明了Ho3+的光谱中443.6nm和482nm发光峰的主要跃迁来源。在第三章和第四章中,为了突破热耦合能级强度比测温的局限性,同时为了满足亚微米/纳米尺度的温度传感需求,我们在纳米发光体系中提出了两种新的荧光强度比测温方案,为基于荧光强度比技术的温度传感提供了新的思路。在第三章中,我们利用溶剂热法成功合成了β-NaYF4:20%Yb3+,0.5%Tm3+/NaYF4:1%Pr3+核壳纳米颗粒,对其结构形貌和上转换发光性质做了表征。通过测量Tm3+在302-510K温度范围内的变温上转换发射光谱,发现3F2,3和1G4能级的上转换发光强度比随温度剧烈变化,分析了产生该剧烈变化的原因。其相对探测灵敏度在417K达到最大值1.53%K-1,优于绝大多数基于稀土离子热耦合能级荧光强度比技术的光学温度传感材料。在第四章中,我们试图利用双掺杂激活剂离子的发光温度特性来提高相对探测灵敏度。利用燃烧法合成了Eu3+和Nd3+各自单掺和共掺的立方结构Y203纳米材料,利用X射线衍射和扫描电子显微镜对样品结构和形貌做了表征。通过变温激发光谱研究了Eu3+的7F0与7F2之间的热耦合性质,并得到了优于Er3+热耦合能级(2H11/2和4S3/2)测温的相对探测灵敏度。在Eu3+/Nd3+共掺的样品中,在580.5nm激发下,我们利用电子云扩大效应、7F2与7F0能级之间的热耦合性质和Eu3+向Nd3+的能量传递导致的Eu3+发光随温度升高而减弱,以及Nd3+的热耦合能级4F5/2和4F3/2之间的热占据导致的Nd3+的4F5/2能级的发光增强,实现了强烈的温度依赖。结果表明,该体系的相对探测灵敏度在很大温度范围内优于其他大多数基于荧光强度比的测温体系。
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