一种基于稀土Dy-Er能量传递的比率型温度探测方法技术

本发明专利技术属于温度探测技术领域，公开了一种基于稀土Dy

【技术实现步骤摘要】
一种基于稀土Dy
‑
Er能量传递的比率型温度探测方法


[0001]本专利技术属于温度探测
，具体涉及一种基于稀土Dy
‑
Er能量传递的比率型温度探测方法。

技术介绍

[0002]温度是一个在物理学、化学、生物学和工程技术等领域中十分重要的热力学状态参数，对温度的快速响应、高灵敏度和高空间分辨率的精确控制与测量极其重要。相对于传统的如热电偶和热电阻温度计等接触式测温技术，非接触式测温技术可以实现对诸如生物细胞、生化过程、微纳电子器件或快速移动体系的高灵敏度和高空间分辨率的实时温度测量。在众多非接触式温度探测技术中，基于光学参数对温度响应特性的荧光温度探测技术由于其抗干扰能力强、灵敏度和空间分辨率高且响应迅速等优势受到广泛关注，尤其是基于稀土离子热耦合能级的荧光强度比测温方案，可以消除测量过程中荧光损失、激发光源功率波动以及发光中心的多寡等非温度因素的干扰，具有荧光温度探测的自校准特性等优点。多种稀土离子具备热耦合能级从而可以用于荧光强度比测温技术，其中研究且应用最多的是稀土Er
3+
离子，其热耦合能级2H
11/2
和4S
3/2
的能级差约为750cm
‑1，在紫外、可见和红外光激发下能够产生绿光和红外光发射。
[0003]基于稀土Er
3+
离子发光进行温度探测的方法，主要是采用来自于Er
3+
两个热耦合能级2H
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和4S
3/2
分别向基态能级4I
15/2
跃迁所发射的中心波长位于525/550nm左右的两个绿光发光强度(分别记为G1和G2)的比值与温度之间的定量关系。由于Er
3+
热耦合能级2H
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和4S
3/2
的粒子数满足Boltzmann分布，因此2H
11/2
和4S
3/2
向基态4I
15/2
能级跃迁产生的两个绿光强度比R(＝G1/G2)可表示为：
[0004][0005]其中ΔE为热耦合能级2H
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和4S
3/2
的能量差，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，C为与发射光频率、能级简并度和发光频率有关的常数。温度传感的绝对温度传感灵敏度S
a
和相对温度传感灵敏度S
r
可分别表示为：
[0006][0007][0008]现有大量研究报道了不同基质材料中基于稀土Er
3+
两个绿光强度比的温度传感特性，例如在Er
3+
掺杂氟化物玻璃
[1,2]、氧化物陶瓷
[3]和氟化物荧光粉
[4]等材料中均观察到了Er
3+
两个绿光强度比与温度的定量关系，探讨了Er
3+
离子G1/G2强度比的温度传感行为。Er
3+
在不同基质材料中具有不同的晶体场环境，会影响Er
3+
热耦合能级对2H
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和4S
3/2
的能级差，造成Er
3+
在不同的基质材料中具有不同的温度传感特性。
[0009]根据激发光源波长的不同，Er
3+
两个绿光产生的机制可分为下转换发光和上转换
发光两种。在紫外和蓝光等短波长光源激发下，Er
3+
能够从基态能级被直接激发到高能级，然后再从高能级无辐射驰豫到低热耦合能级2H
11/2
和4S
3/2
，随后通过2H
11/2
和4S
3/2
向基态4I
15/2
能级的辐射跃迁产生两个绿色下转换发光。例如，Er
3+
能够被379nm
[5]和406nm
[1]的紫外光以及488nm
[6]的蓝光激发，实现基于Er
3+
离子G1/G2强度比的温度传感特性。Er
3+
还能够被532nm的绿光激发实现热耦合能级2H
11/2
和4S
3/2
的布居，并向亚稳态能级4I
13/2
辐射跃迁的中心波长位于800/850nm左右的两个红外下转换发光强度比实现温度探测
[7]。此外，在红外激光等长波长光源激发下，Er
3+
能够通过基态吸收和激发态吸收实现热耦合能级2H
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和4S
3/2
的布居，随后向基态4I
15/2
能级辐射跃迁产生两个绿色上转换发光。例如，在800nm
[2]、980nm
[3]和1540nm
[4]红外激光激发下，Er
3+
发射出中心波长位于525/550nm左右的两个绿色上转换发光，并实现了基于两个绿色上转换发光强度比的温度传感。
[0010]为了提高Er
3+
的发光效率并优化基于Er
3+
两个绿光强度比的温度传感特性，对Er
3+
进行能量传递是一种十分有效的手段。例如，共掺杂其它离子如稀土离子Yb
3+[8]或者过渡金属离子Mo
6+[9]等，或者采用合适的基质材料如ZnO
[10]等，都能对Er
3+
进行能量传递从而调控热耦合能级2H
11/2
和4S
3/2
的布居，并实现基于Er
3+
两个绿色上转换发光强度比的温度传感行为。
[0011]由公式(2)和(3)可知，基于荧光强度比测温技术的绝对温度传感灵敏度S
a
和相对温度传感灵敏度S
r
与所采用的稀土离子两个热耦合能级的能级差ΔE有关，ΔE越大绝对灵敏度S
a
也越大，但相对灵敏度S
r
越小，反之，ΔE越小相对灵敏度S
r
越大，但绝对灵敏度S
a
越小。因此，绝对温度传感灵敏度S
a
和相对温度传感灵敏度S
r
往往无法兼顾。由于Er
3+
热耦合能级2H
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和4S
3/2
之间的能级差ΔE约为750cm
‑1，Er
3+
掺杂基质材料的不同对Er
3+
晶体场环境的改变有限，导致不同基质材料中Er
3+
热耦合能级2H
11/2
和4S
3/2
的能级差ΔE变化不大，因此基于Er
3+
两个绿光强度比的温度传感灵敏度没有明显改善，现有报道的绝对温度传感灵敏度S
a
最大值不超过0.01K
‑1。目前通过能量传递的形式对Er
3+...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于稀土Dy
‑
Er能量传递的比率型温度探测方法，其特征在于，步骤包括：S1.测量某温度下Dy
3+
‑
Er
3+
共掺杂CaWO4荧光粉在500～525nm和525～560nm两个绿光波段的上转换发光强度G1和G2，其中激发光波长为λ
ex
＝734nm，Dy
3+
和Er
3+
摩尔浓度比为1:2；S2.计算步骤S1所述某温度下两个绿色上转换发光G1和G2的比值，即R＝G1/G2；S3.改变Dy
3+
‑
Er
3+
共掺杂CaWO4荧光粉的温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹保胜，廖志超，何洋洋，丛妍，董斌，
申请(专利权)人：大连民族大学，
类型：发明
国别省市：