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物理量之一，其測量在工業(yè)生產、生命醫(yī)學、科學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在各個領域都發(fā)揮了很重要的作用。然而，隨著科技進步和社會發(fā)展，對溫度的控制和測量都提出了更高更復雜的要求。在很多情況下，由于其內在屬性的限制，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，并且能夠實現(xiàn)快速響應的非接觸式溫度傳感器具有非常重要的現(xiàn)實意義。稀土離子熒光強度比技術用于溫度傳感被認為是一種很有應用前景的非接觸式光學溫度傳感技術。相比于基于絕對發(fā)光強度的測溫方案，測量熒光強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度比技術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、稀土發(fā)光材料、上轉換發(fā)光過程做了簡單的介紹。詳細介紹了熱耦合能級熒光強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+)熱耦合能級熒光強度比技術的溫度傳感。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構和形貌做了表征。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溫度范圍內的變溫上轉換發(fā)射光譜，研究了Er3+的熱耦合能級2H11/2與4S3/2的熒光強度比隨溫度的依賴關系。分析了該溫度范圍內的相對探測靈敏度。通過研究不同功率的980 nm激光激發(fā)下得到的熒

5、光強度比，指出了980 nm激發(fā)光對樣品的加熱效應。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，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β-NaYF4∶0.8％ Pr3+粉末材料中Pr3+的3P1/1I6與3P0能級的熒光強度比隨溫度的依賴關系。由于該能級差較小，即使是在很低的溫度范圍內上能級也有比較可觀的發(fā)光強度，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溫度范圍內的變溫上轉換發(fā)射光譜，驗證了5F1/5G6和5F2,3/3K8能級之間的熱耦合性質。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)基于相同熒光強度比

7、技術的測溫體系。同時，我們利用低溫下的上轉換發(fā)射光譜以及上轉換功率依賴關系等指明了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，對其結構形貌和上轉換發(fā)光性質做了表征。通過測量Tm3+在302-510 K溫度范圍內的變溫上轉換發(fā)射光譜，發(fā)現(xiàn)3F2,3和1G4能級的上轉換發(fā)光強度比隨溫度劇烈

8、變化，分析了產生該劇烈變化的原因。其相對探測靈敏度在417 K達到最大值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度比技術的光學溫度傳感材料。
　　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構Y2O3納米材料，利用X射線衍射和掃描電子顯微鏡對樣品結構和形貌做了表征。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，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，我們利用電子云擴大效應、7F2與7F0能級之間的熱耦合性質和Eu3+向Nd3+的能量傳遞導致的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)導致的Nd3+的4F5/2能級的發(fā)光增強，實現(xiàn)了強烈的溫度依賴。結果表明，該體系的相對探測靈敏度在很大溫度范圍內優(yōu)于其他大多數(shù)基