基于热猝灭和热耦合能级的温度探测技术

发布时间：2018-11-07 16:47

【摘要】：由于温度对荧光发光材料的发光性能具有重大的影响,某些光学特性存在与温度之间的依赖关系。基于这种现象荧光测温技术得以实现。本文主要从两个方面研究这种影响并讨论相应的温度探测技术。首先,温度升高时,荧光发光材料的发光的强度和寿命的减小,这种现象被称为热猝灭。其次由于热耦合能级的布居数在发光过程中始终满足玻尔兹曼分布,这两个能级的荧光强度比与温度具有依赖关系。本论文对三种基于热猝灭和热耦合能级对材料发光性能的影响的测温技术进行研究:一,基于热猝灭导致的发光颜色(色度坐标)变化用于测量LED灯结温;二,基于热猝灭导致的荧光寿命变化用于测量生理温度;三,基于热耦合能级的荧光强度比变化用于测量高温范围的温度。第一章是本文的绪论部分,主要介绍了研究热猝灭和热耦合能级对荧光发光材料的发光性能影响的意义、研究背景和现状,并介绍了荧光发光材料的发光原理以及常用的表征方法。同时,介绍了基于荧光发光材料的发光性能测温的主要手段,并介绍了热猝灭现象和热耦合能级。最后介绍了实验中用到的几种常见的实验方法,包括高温固相法、水热法以及溶胶凝胶法,以及常用的实验器材。第二章主要研究自激活Ba_2V_2O_7:Sm~(3+)白光LED荧光粉在不同温度下的发光性能。首先,我们通过高温固相法合成了具有不同掺杂浓度的样品,并通过X射线衍射谱对其结构进行表征,结果表明Ba_2V_2O_7:Sm~(3+)白光LED荧光粉被成功合成。我们测量了常温下不同掺杂浓度的样品的激发和发射光谱。我们发现样品的发光随Sm~(3+)离子掺杂浓度的升高由蓝绿光逐渐变为橘红色的光,其中Ba_2V_2O_7:0.05Sm~(3+)的样品在365nm的激发光下于室温发出白光。同时,我们测量了 Ba_2V_2O_7:0.04Sm~(3+)的样品在365nm的激发光下于25-210℃的温度范围内的变温光谱。实验结果表明,Ba1.96V207:0.04Sm~(3+)样品会发生强烈的热猝灭。当温度升高时,它的发光不仅强度会下降,同时色度坐标会发生非常大的移动:从25℃C时的蓝白色光(色度坐标0.283,0.360)渐变为210℃C的橘黄色光(色度坐标0.585,0.436)。这个结果表明,热猝灭会导致这种发光材料的发光强度下降以及很大的色度坐标的移动,可以用于对温度的标定。第三章主要研究了基于红光荧光粉LuAG:Mn~(4+)的热猝灭现象的测温原理。首先,我们用溶胶凝胶法制备了 LuAG:Mn~(4+)红光荧光粉,并通过X射线衍射谱对其结构进行表征,确认该LuAG:Mn~(4+)红光荧光粉被成功合成。然后,我们测量了 LuAG:Mn~(4+)红光荧光粉常温下的激发谱和发射谱,并指认了 LuAG:Mn~(4+)红光荧光粉的光谱各个波峰对应的跃迁。之后,我们测量了 LuAG:Mn~(4+)红光荧光粉在37-100℃温度范围内的变温光谱,结果表明LuAG:Mn~(4+)红光荧光粉具有比较强的热猝灭现象。最后我们详细测量了 LuAG:Mn~(4+)红光荧光粉在34-110℃温度范围内不同温度下Mn~(4+)离子发光(666nm)的荧光衰减曲线。根据寿命与温度之间的依赖关系,我们拟合出LuAG:Mn~(4+)红光荧光粉的热活化能AE为5732cm-1。然后,根据相对灵敏度公式算出LuAG:Mrn4+红光荧光粉的相对灵敏度在72 ℃时最大,大小为6.35%K~(-1);当温度为38 ℃时,相对灵敏度为3.75%K~(-1)。根据以上结果,LuAG:Mn~(4+)红光荧光粉被证明非常适用于生理温度区间的温度探测。第四章主要研究基于NaY(MoO_4)_2:Yb~(3+) Ho~(3+)上转换荧光粉热耦合能级荧光强度比(FIR)测温的原理。首先,我们用溶胶凝胶法制备了 NaY(MoO_4)_2:Yb~(3+)Ho~(3+)上转换荧光粉,并通过X射线衍射谱对其结构进行表征,确认NaY(Mo04)2:Yb~(3+) Ho~(3+)上转换荧光粉被成功合成。然后,我们测量了 980nm激发下NaY(MoO_4)_2:Yb~(3+) Ho~(3+)上转换荧光粉在常温下的发射谱,并指认了发射谱各个波峰对应的跃迁。结果表明,NaY(Mo04)2:Yb~(3+)Ho~(3+)上转换荧光粉同时具有强度相当的发光能级5F4/5S2或5F5向基态518的跃迁发光。然后,我们测量了 NaY(MoO_4)_2:Yb~(3+) Ho~(3+)上转换荧光粉在360K-660K温度区间的变温光谱,并计算出不同温度下样品中Ho~(3+)离子的热耦合能级5F1/5G6和5F2,3/3K8的荧光强度比。根据热耦合荧光强度比与温度的依赖关系,我们拟合出在NaY(MoO_4)_2:Yb~(3+)Ho~(3+)上转换荧光粉中,Ho~(3+)离子的热耦合能级5F1/5G6和5F2,3/3K8的能级差为1379.6 cm-1。最后,根据基于热耦合能级荧光强度比(FIR)测温的绝对灵敏度和相对灵敏度的公式,我们获得了 NaY(MoO_4)_2:Yb~(3+) Ho~(3+)上转换荧光粉的绝对灵敏度和相对灵敏度与温度的依赖关系图。结果表明,在360-660K的温度范围内,该样品绝对灵敏度在660K达到最大值0.00593 K~(-1),而相对灵敏度在360K达到最大值1.53%K~(-1)。可见,NaY(Mo04)2:Yb~(3+) Ho~(3+)上转换荧光粉是一种具有较高相对灵敏度的测温材料。最后对本论文的主要内容做了总结并对基于热猝灭和热耦合能级荧光强度比测温的应用前景做了展望。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O482.31

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