稀土掺杂钨酸盐上转换材料的光温特性研究

发布时间：2020-09-22 11:01

　　 稀土掺杂上转换材料因为其非接触式测温、光温响应迅速、抗环境电磁干扰能力强、对光源功率波动的宽容度高、测温的空间分辨率高的优势,在光学温度传感领域具有很大的应用前景。稀土离子能级的粒子数符合玻尔兹曼分布,当温度发生变化,各能级上的粒子数布居也随之变化,不同能级对温度变化的响应不同,所以各能级对应的荧光强度变化也不同。通过选取合适的热耦合能级对,监测它们在不同温度下的荧光强度,再计算出荧光强度比从而间接得知温度,这就是稀土掺杂上转换发光材料测温的基本过程。一直以来,人们致力于提高上转换发光材料在测温过程中的灵敏度,拓宽上转换发光材料的测温量程。在研究用于温度传感领域的稀土掺杂上转换发光材料时,探索不同的基质对发光材料的光温特性的影响是重要研究方向之一,本文就此展开了一系列实验。(1)采用高温固相法合成了四种不同掺杂比例的Na_(0.5)Yb_(0.5)WO_4-Sc_2(WO_4)_3:Yb~(3+)/Er~(3+)双相上转换发光材料,通过X射线衍射(XRD)分析了样品的结构组成,定性分析了样品中的相组成比例。采用980 nm近红外激光作为激发光源,测试了样品的变功率激发光谱,样品的发光峰属于掺杂Er~(3+)的~2H_(11/2)→~4I_(15/2) 和 ~4S_(3/2)→~4I_(15/2)跃迁。根据变功率光谱中发光峰强度随泵浦功率的变化关系确定了样品的上转换发光是双光子过程。通过测试这种材料的变温光谱,对所有发光峰两两组合,分别计算了荧光强度比,绘制了荧光强度比与温度的关系曲线,对比了各组热耦合能级的测温效果,探究了热耦合能级间距对测温性能的影响。经测试,这种材料的量程为320~520 K,灵敏度最高为 0.008 K~(-1)。(2)基于前期实验结果,在1200℃下进一步合成了NaLu(WO_4)_2:1%Yb~(3+)/1%Er~(3+)。采用980 nm激光测得材料的变功率激发光谱,样品的发光峰属于Er~(3+)的~2H_(11/2),~4S_(3/2),~4F_(9/2)能级。使用0.5 W激发功率,在313~573 K范围内测试了材料的变温光谱,选取分别属于~2H_(11/2),~4S_(3/2)能级的531/553 nm发光峰,计算了荧光强度比。发现在480K附近,光谱发生了跃变,通过研究上转换发光强度与温度的依赖关系,解释了这一温度转折点的出现。温度转折点靠近量程313~573 K的上限,在温度转折点以下,灵敏度最高为0.0079 K~(-1),在温度转折点以上,灵敏度高达0.0106 K~(-1),在目前报道的同类材料中属于较高水平。本文在制备Na_(0.5)Yb_(0.5)WO_4-Sc_2(WO_4)_3:Yb~(3+)/Er~(3+)两相上转换发光材料的基础上,分析了Yb~(3+)/Er~(3+)掺杂离子对在其中的发光,探究了上转换发光材料在测温过程中的影响灵敏度的主要因素。在此基础上,制备了NaLu(WO_4)_2:Yb~(3+)/Er~(3+)上转换发光材料,确定了这种材料的上转换发光机制,研究了变温光谱中出现的跃变,提高了对荧光强度比与温度关系的认识。本实验中合成的NaLu(WO_4)_2:Yb~(3+)/Er~(3+),相比于传统的氟化物上转换材料,热稳定性良好,光温特性优异,可以作为非接触式光学温度传感候选材料,具有一定的应用前景。
【学位单位】：重庆理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ422
【部分图文】：

2 基本理论2.2 上转换发光过程上转换发光通过亚稳态能级积累多个低频长波长激发光光子能量，是一种非线性的发光过程。上转换发光的主要发光机制有：激发态吸收(Excited State Absorption,ESA)、能量传递上转换(Energy Transfer Upconversion ,ETU)、光子雪崩、交叉弛豫、合作敏化上转换[10,33,34]。

图 2.6 元素周期表基质材料中的阴离子影响着基质的化学稳定性。氟化物因为低声子能，被大量用于上转换发光材料，但是此类基质材料无法在高温环境下稳定存在[36]。同样的，硫化物和卤化物虽然声子能低，但在高温下稳定性不佳而较少采用。氧化物声子能较前几种化合物高，但其在高温下具有很好的稳定性，各种氧化物陶瓷是实现微米级上转换温度传感的理想材料。作为用于温度探测的发光材料，基质的光学性能和热稳定性也是基质选择时需要注意的。在实际应用中，还要注意到基质材料受外界电磁场，温度变化，化学环境的影响，这些外界因素都会作用于基质表面或内部，使基质的部分或整体的晶格结构发生细微改变，从而给温度传感引入额外的系统误差，降低精度和稳定性。2.3.2 掺杂离子在结构上，稀土离子的引入，取代了基质晶格中的离子或是进入晶格间隙中，掺杂离子与基质阳离子在离子半径上的差异会使得稀土离子周围基质晶体场的对称性

2 基本理论展，用于光纤通讯的红外激光器成本大大降低，因此，红外激光器便成为了用于上换发光的理想光源[27,38,39]。因此激光波长的选择与稀土离子的选择应当综合在一起虑。

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本文编号：2824292