基于發(fā)光材料的溫度探測新機制探索.pdf

1、在科學(xué)領(lǐng)域的各個方面，溫度是最基礎(chǔ)的物理量之一，它的精確測量和標(biāo)定在科學(xué)研究、技術(shù)應(yīng)用以及工業(yè)等領(lǐng)域具有十分重要的現(xiàn)實意義和研究價值。各種各樣的溫度傳感器也被廣泛應(yīng)用在日常生活、計量學(xué)、氣體力學(xué)、大氣和海事方面以及化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和軍事技術(shù)等領(lǐng)域。據(jù)估計，溫度傳感器的份額占到了所有傳感器的75-80％。隨著能源、信息和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的高速發(fā)展，對溫度探測的速度和精度提出了更高更復(fù)雜的要求，例如亞微米乃至納米尺度的溫度測量、生物體內(nèi)細胞

2、的溫度探測等。然而，傳統(tǒng)溫度計在探測速度和精度上會受到極大的限制，而且通常只能滿足10微米以及以上尺度溫度的測量。在這種情況下，基于光學(xué)傳感實現(xiàn)非接觸式的溫度探測可以克服傳統(tǒng)接觸式溫度計內(nèi)在的缺點而逐漸成為人們研究的熱點，它可以滿足非接觸式、高空間分辨率、快速響應(yīng)實時探測等測量需求。
　　在一定溫度范圍內(nèi)，發(fā)光材料或離子的某些光學(xué)特性，例如峰值位置、熒光強度比、光譜線寬、熒光強度、偏振各向異性以及熒光衰減壽命等等，隨著溫度的改變而

3、發(fā)生改變，因此可以利用這些光學(xué)特性的變化來標(biāo)定溫度。其中，熒光強度比技術(shù)和熒光壽命測量被認為是更具有潛在應(yīng)用價值的測溫技術(shù)，它們對測量條件的依賴較小，不受熒光損失、激發(fā)光源強度的波動，以及發(fā)光中心數(shù)量和分布等條件的限制，測量誤差較小，因而具有較高的溫度分辨率。因此，本論文就是圍繞著可用于溫度傳感的固體發(fā)光材料開展的，主要目的在于尋找新的材料和新的物理機制來進行溫度探測，主要內(nèi)容和研究成果如下:
　　第一章是本論文的緒論部分，主要介

4、紹了非接觸式溫度探測的選題意義、研究背景和現(xiàn)狀，以及幾種非接觸式溫度探測的方法。并且對稀土摻雜發(fā)光材料的基礎(chǔ)知識和基本原理進行了簡單介紹，包括稀土元素、稀土的光譜理論、稀土發(fā)光材料、上轉(zhuǎn)換發(fā)光以及常用的光譜表征手段等等。
　　第二章中，我們介紹了基于Ho3+離子熱耦合能級熒光強度比用于溫度探測的方法。首先，我們利用熔融冷卻法成功合成了Yb3+-Ho3+離子摻雜透明β-NaYF4微晶玻璃，并通過X射線衍射譜和透射電鏡圖對微晶玻璃進行

5、了結(jié)構(gòu)和形貌的表征。以980 nm波長激光作為激發(fā)光源，我們對Ho3+離子的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜進行了詳細研究，表明Yb3+和Ho3+離子進入β-NaYF4晶格中。我們以Ho3+離子的熱耦合能級5F1/5G6和5F2,3/3K8為例，對其熒光強度比與溫度的依賴關(guān)系進行了詳細研究。在390 K至750 K溫度范圍內(nèi)，它們到基態(tài)5I8的發(fā)射峰的熒光強度比隨溫度變化有劇烈的依賴關(guān)系。其熒光強度比滿足玻爾茲曼分布，隨著溫度升高呈現(xiàn)出指數(shù)型增長，可以擬

6、合得到其熱耦合能級的有效能差為1438 cm-1，并給出了其相對靈敏度曲線，在390K時相對靈敏度達到最大值1.37％·K-1。此外，還對稀土離子熱耦合能級的熒光強度比測溫技術(shù)的可行性和局限性進行了討論。
　　除了稀土離子熱耦合能級的熒光強度比測溫技術(shù)之外，基于熒光衰減壽命的溫度探測也是一種具有廣闊應(yīng)用前景的測溫方法，第三章的研究就是基于Cr3+離子的熒光衰減壽命的溫度特性開展的。Cr3+離子的能級劈裂隨著其所處晶體場的變化而變化

7、，在LiAl5O8晶格中，Cr3+離子的第一激發(fā)態(tài)為2E能級，能級4T2則處于能量更高的位置。第三章中，我們通過燃燒法制備了一系列不同濃度Cr3+離子摻雜LiAl5O8的樣品，并對其進行了結(jié)構(gòu)和形貌的表征，分析了Cr3+離子在該基質(zhì)中位于可見波段的激發(fā)和發(fā)射光譜，并對其發(fā)光特性對溫度的依賴關(guān)系進行了深入研究。結(jié)果表明，位于713.7 nm的發(fā)射峰（R1線），源自于Cr3+離子2E→4A2能級的躍遷，且該發(fā)射峰在發(fā)射強度、峰值位置以及熒光

8、壽命方面對于溫度均有一定的依賴關(guān)系。值得一提的是，R1線的熒光壽命隨溫度變化有強烈的依賴關(guān)系。因2E→4A2的躍遷是禁戒的，壽命較長;而4T2→4A2的躍遷是允許的，壽命較短。隨著溫度的升高，越來越多的粒子數(shù)占據(jù)在4T2能級上，因而壽命變短。在200 K至600 K溫度范圍內(nèi)，R1線的壽命從4.31 ms下降至0.38 ms，且其絕對靈敏度在400 K時達到最大值0.015 ms·K-1，以及相對靈敏度在447 K時達到最大值0.83％

9、·K-1，進而表明LiAl5O8∶ Cr3+是潛在的測溫傳感材料，并且該材料用于溫度探測的優(yōu)勢在于具有較大的測溫區(qū)間。
　　同時，在第四章中，我們嘗試了利用Eu3+熒光衰減曲線的上升沿特征時間來進行溫度探測，并取得了較好的實驗結(jié)果。我們通過高溫固相法制備了不同Eu3+摻雜濃度的BaY2ZnO5粉末樣品，并對Eu3+的5D0發(fā)射峰的熒光衰減曲線的上升沿特征時間對溫度的依賴關(guān)系進行了深入研究。隨著溫度升高，無輻射躍遷速率增大，因而上升

10、沿特征時間壽命呈現(xiàn)出變短的趨勢。結(jié)果表明，在330K至510K溫度范圍內(nèi)，其擬合上升壽命由207μs降至16μs，表現(xiàn)出了強烈的溫度依賴特性，其絕對靈敏度可達1.1μs·K-1，而相對靈敏度在490 K時達到最大值2.2％·K-1，該相對靈敏度優(yōu)于大部分目前所報道的測溫材料的相對靈敏度。因此，利用上升沿特征時間用于溫度探測是一種可行的方法，為非接觸式溫度探測提供了一種新的思路，而且BaY2ZnO5∶Eu3+材料在應(yīng)用于溫度探測方面具有巨