基于发光材料的温度探测新机制探索

发布时间：2019-05-12 11:19

【摘要】：在科学领域的各个方面,温度是最基础的物理量之一,它的精确测量和标定在科学研究、技术应用以及工业等领域具有十分重要的现实意义和研究价值。各种各样的温度传感器也被广泛应用在日常生活、计量学、气体力学、大气和海事方面以及化学、医学、生物学和军事技术等领域。据估计,温度传感器的份额占到了所有传感器的75-80%。随着能源、信息和生物医学等领域的高速发展,对温度探测的速度和精度提出了更高更复杂的要求,例如亚微米乃至纳米尺度的温度测量、生物体内细胞的温度探测等。然而,传统温度计在探测速度和精度上会受到极大的限制,而且通常只能满足10微米以及以上尺度温度的测量。在这种情况下,基于光学传感实现非接触式的温度探测可以克服传统接触式温度计内在的缺点而逐渐成为人们研究的热点,它可以满足非接触式、高空间分辨率、快速响应实时探测等测量需求。在一定温度范围内,发光材料或离子的某些光学特性,例如峰值位置、荧光强度比、光谱线宽、荧光强度、偏振各向异性以及荧光衰减寿命等等,随着温度的改变而发生改变,因此可以利用这些光学特性的变化来标定温度。其中,荧光强度比技术和荧光寿命测量被认为是更具有潜在应用价值的测温技术,它们对测量条件的依赖较小,不受荧光损失、激发光源强度的波动,以及发光中心数量和分布等条件的限制,测量误差较小,因而具有较高的温度分辨率。因此,本论文就是围绕着可用于温度传感的固体发光材料开展的,主要目的在于寻找新的材料和新的物理机制来进行温度探测,主要内容和研究成果如下：第一章是本论文的绪论部分,主要介绍了非接触式温度探测的选题意义、研究背景和现状,以及几种非接触式温度探测的方法。并且对稀土掺杂发光材料的基础知识和基本原理进行了简单介绍,包括稀土元素、稀土的光谱理论、稀土发光材料、上转换发光以及常用的光谱表征手段等等。第二章中,我们介绍了基于Ho3+离子热耦合能级荧光强度比用于温度探测的方法。首先,我们利用熔融冷却法成功合成了Yb3+-Ho3+离子掺杂透明β-NaYF4微晶玻璃,并通过X射线衍射谱和透射电镜图对微晶玻璃进行了结构和形貌的表征。以980 nm波长激光作为激发光源,我们对Ho3+离子的上转换发射光谱进行了详细研究,表明yb3+和Ho3+离子进入β-NaYF4晶格中。我们以Ho3+离子的热耦合能级5F1/SG6和5F2.3/3K8为例,对其荧光强度比与温度的依赖关系进行了详细研究。在390 K至750 K温度范围内,它们到基态5I8的发射峰的荧光强度比随温度变化有剧烈的依赖关系。其荧光强度比满足玻尔兹曼分布,随着温度升高呈现出指数型增长,可以拟合得到其热耦合能级的有效能差为1438 cm-1,并给出了其相对灵敏度曲线,在390 K时相对灵敏度达到最大值1.37%·K-1。此外,还对稀土离子热耦合能级的荧光强度比测温技术的可行性和局限性进行了讨论。除了稀土离子热耦合能级的荧光强度比测温技术之外,基于荧光衰减寿命的温度探测也是一种具有广阔应用前景的测温方法,第三章的研究就是基于Cr3+离子的荧光衰减寿命的温度特性开展的。Cr3+离子的能级劈裂随着其所处晶体场的变化而变化,在LiAl5O8晶格中,Cr3‘离子的第一激发态为2E能级,能级4T2则处于能量更高的位置。第三章中,我们通过燃烧法制备了一系列不同浓度Cr3+离子掺杂LiAl5O8的样品,并对其进行了结构和形貌的表征,分析了Cr3+离子在该基质中位于可见波段的激发和发射光谱,并对其发光特性对温度的依赖关系进行了深入研究。结果表明,位于713.7 nm的发射峰(R1线),源自于Cr3+离子2E→4A2能级的跃迁,且该发射峰在发射强度、峰值位置以及荧光寿命方面对于温度均有一定的依赖关系。值得一提的是,R1线的荧光寿命随温度变化有强烈的依赖关系。因2E一4A2的跃迁是禁戒的,寿命较长；而4T2—4A2的跃迁是允许的,寿命较短。随着温度的升高,越来越多的粒子数占据在4T2能级上,因而寿命变短。在200 K至600 K温度范围内,R1线的寿命从4.31 ms下降至0.38 ms,且其绝对灵敏度在400 K时达到最大值0.015 ms·K-,以及相对灵敏度在447 K时达到最大值0.83%.K-1,进而表明LiAl5O8:Cr3+是潜在的测温传感材料,并且该材料用于温度探测的优势在于具有较大的测温区间。同时,在第四章中,我们尝试了利用Eu3+荧光衰减曲线的上升沿特征时间来进行温度探测,并取得了较好的实验结果。我们通过高温固相法制备了不同Eu3‘掺杂浓度的BaY2ZnO5粉末样品,并对Eu3+的5D0发射峰的荧光衰减曲线的上升沿特征时间对温度的依赖关系进行了深入研究。随着温度升高,无辐射跃迁速率增大,因而上升沿特征时间寿命呈现出变短的趋势。结果表明,在330K至510K温度范围内,其拟合上升寿命由207μs降至16μs,表现出了强烈的温度依赖特性,其绝对灵敏度可达1.1μs-K-1,而相对灵敏度在490 K时达到最大值2.2%·K-1,该相对灵敏度优于大部分目前所报道的测温材料的相对灵敏度。因此,利用上升沿特征时间用于温度探测是一种可行的方法,为非接触式温度探测提供了一种新的思路,而且BaY2ZnO5:Eu3+材料在应用于温度探测方面具有巨大的潜力。最后,对本论文的主要内容和应用前景进行了总结与展望。
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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】：2016
【分类号】：O482.31

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