用于溫度傳感的NaY(Lu)F4：RE和Y2O3-RE發(fā)光特性研究.pdf

1、溫度是最基本的熱力學(xué)物理量之一，其測量在工業(yè)生產(chǎn)、生命醫(yī)學(xué)、科學(xué)研究以及人們的日常生活中都有極其重要的地位。傳統(tǒng)的基于熱接觸式的溫度計，諸如，玻璃液體溫度計、熱電偶、電阻溫度計等，在過去的幾十年里已經(jīng)在各個領(lǐng)域都發(fā)揮了很重要的作用。然而，隨著科技進(jìn)步和社會發(fā)展，對溫度的控制和測量都提出了更高更復(fù)雜的要求。在很多情況下，由于其內(nèi)在屬性的限制，傳統(tǒng)溫度計根本無法滿足測量需求。例如，在腐蝕性環(huán)境、電磁干擾環(huán)境下的溫度測量，微小電子元器件、細(xì)胞

2、、快速移動物體的溫度測量等。因此，發(fā)展具有較高的空間和溫度分辨率，并且能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)的非接觸式溫度傳感器具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。稀土離子熒光強(qiáng)度比技術(shù)用于溫度傳感被認(rèn)為是一種很有應(yīng)用前景的非接觸式光學(xué)溫度傳感技術(shù)。相比于基于絕對發(fā)光強(qiáng)度的測溫方案，測量熒光強(qiáng)度比可以有效地避免測量過程中的熒光損失、發(fā)光中心的多寡等非溫度因素引起的測量誤差。本文的研究工作主要包括基于稀土離子熱耦合能級熒光強(qiáng)度比技術(shù)的溫度傳感以及為突破熱耦合條件對相對探測

3、靈敏度的限制提出的兩種新的熒光強(qiáng)度比測溫方案。本研究分為四個部分：
　　第一章緒論部分，我們首先介紹了非接觸式光學(xué)溫度傳感研究的必要性，然后對發(fā)光的基本原理、稀土離子的發(fā)光性質(zhì)、稀土發(fā)光材料、上轉(zhuǎn)換發(fā)光過程做了簡單的介紹。詳細(xì)介紹了熱耦合能級熒光強(qiáng)度比測溫的基本原理、研究現(xiàn)狀以及存在的問題。
　　第二章研究了基于稀土離子(Er3+、Pr3+、Ho3+)熱耦合能級熒光強(qiáng)度比技術(shù)的溫度傳感。利用水熱法合成了Yb3+/Er3+、P

4、r3+、Yb3+/Ho3+離子摻雜的β-NaY(Lu)F4微米級粉末材料。利用X射線衍射和掃描電子顯微鏡對樣品結(jié)構(gòu)和形貌做了表征。在980 nm激發(fā)下，測量了β-NaYF4∶20％ Yb3+，2％ Er3+粉末樣品中Er3+在160-300 K溫度范圍內(nèi)的變溫上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜，研究了Er3+的熱耦合能級2H11/2與4S3/2的熒光強(qiáng)度比隨溫度的依賴關(guān)系。分析了該溫度范圍內(nèi)的相對探測靈敏度。通過研究不同功率的980 nm激光激發(fā)下得到的熒

5、光強(qiáng)度比，指出了980 nm激發(fā)光對樣品的加熱效應(yīng)。通過直接激發(fā)激活劑離子可以有效的避免激光加熱效應(yīng)，另外，對于具有較小能級差的熱耦合能級，上能級在低溫下仍然可以具有比較可觀的粒子數(shù)占據(jù)。為此，我們研究了低溫120-300 K溫度范圍內(nèi)β-NaYF4∶0.8％ Pr3+粉末材料中Pr3+的3P1/1I6與3P0能級的熒光強(qiáng)度比隨溫度的依賴關(guān)系。由于該能級差較小，即使是在很低的溫度范圍內(nèi)上能級也有比較可觀的發(fā)光強(qiáng)度，具有較大的測量優(yōu)勢。在

6、室溫附近的絕對探測靈敏度約為β-NaYF4∶ Yb3+/Er3+體系的5倍。根據(jù)熱耦合能級測溫原理，相對靈敏度正比于能級間隔。我們研究了β-NaLuF4∶10％ Yb3+，0.5％ Ho3+粉末樣品中Ho3+在390-780 K溫度范圍內(nèi)的變溫上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜，驗證了5F1/5G6和5F2,3/3K8能級之間的熱耦合性質(zhì)。由于該能級間隔相比于其他大多數(shù)稀土離子的熱耦合能級間隔要大，所以該體系的相對測溫靈敏度超過了絕大多數(shù)基于相同熒光強(qiáng)度比

7、技術(shù)的測溫體系。同時，我們利用低溫下的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜以及上轉(zhuǎn)換功率依賴關(guān)系等指明了Ho3+的光譜中443.6nm和482 nm發(fā)光峰的主要躍遷來源。
　　第三章利用溶劑熱法成功合成了β-NaYF4∶20％ Yb3+，0.5％Tm3+/NaYF4∶1％ Pr3+核殼納米顆粒，對其結(jié)構(gòu)形貌和上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)做了表征。通過測量Tm3+在302-510 K溫度范圍內(nèi)的變溫上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜，發(fā)現(xiàn)3F2,3和1G4能級的上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度比隨溫度劇烈

8、變化，分析了產(chǎn)生該劇烈變化的原因。其相對探測靈敏度在417 K達(dá)到最大值1.53％ K-1，優(yōu)于絕大多數(shù)基于稀土離子熱耦合能級熒光強(qiáng)度比技術(shù)的光學(xué)溫度傳感材料。
　　第四章利用雙摻雜激活劑離子的發(fā)光溫度特性來提高相對探測靈敏度。利用燃燒法合成了Eu3+和Nd3+各自單摻和共摻的立方結(jié)構(gòu)Y2O3納米材料，利用X射線衍射和掃描電子顯微鏡對樣品結(jié)構(gòu)和形貌做了表征。通過變溫激發(fā)光譜研究了Eu3+的7F0與7F2之間的熱耦合性質(zhì)，并得到了優(yōu)

9、于Er3+熱耦合能級(2H11/2和4S3/2)測溫的相對探測靈敏度。在Eu3+/Nd3+共摻的樣品中，在580.5 nm激發(fā)下，我們利用電子云擴(kuò)大效應(yīng)、7F2與7F0能級之間的熱耦合性質(zhì)和Eu3+向Nd3+的能量傳遞導(dǎo)致的Eu3+發(fā)光隨溫度升高而減弱，以及Nd3+的熱耦合能級4F5/2和4F3/2之間的熱占據(jù)導(dǎo)致的Nd3+的4F5/2能級的發(fā)光增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)烈的溫度依賴。結(jié)果表明，該體系的相對探測靈敏度在很大溫度范圍內(nèi)優(yōu)于其他大多數(shù)基