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《哈尔滨工业大学》 2017年
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基于稀土掺杂上转换材料荧光峰值比的温度传感

芦泓宇  
【摘要】:稀土掺杂的上转换发光材料在温度测量领域具有众多的优势,如较高的空间分辨率、非侵袭性、快速响应、较强的电磁防护能力、全光系统避免了电火花等特性,因此在光学温度传感领域有着广阔的应用前景。尽管上转换发光材料作为温度传感器被大量报道,但定量地分析温度依赖的上转换发光机制,还很少被报道。同时实现准确的温度测量,以及提高的测温灵敏度一直是众多科研工作者努力的方向。本文的主要研究内容如下:通过溶胶-凝胶法制备了薄膜与粉末形态的Gd2(Mo O4)3:1%Er3+/9%Yb3+上转换发光材料,分别研究了两种形态样品不同激发功率下的光热效应。薄膜材料由于较少的光吸收,较快的热耗散,导致其几乎不受光热效应影响。相反粉末压片样品由于较大的光吸收、较慢的热耗散,因此受光热效应影响很大。采用离子与离子(能量传递、交叉弛豫)、离子与声子(声子辅助的能量传递、无辐射弛豫)、离子与光子的相互作用(光吸收、自发辐射)建立理论模型并定量计算,阐述了薄膜材料的温度依赖的上转换发光机制,解释其上转换发光强度与温度的变化关系。由于薄膜样品几乎不受光热效应影响,可以实现准确的温度测量,研究了295 K至675 K温度区间Gd2(Mo O4)3:1%Er3+/9%Yb3+薄膜材料的温度传感特性。对于粉末压片样品具有较大的光热效应,因此可以作为光学加热器,并且定量计算了激发功率与材料温度的关系,发现当激发功率从0.03 W增加到3.78 W时,粉末压片样品的温度从323 K增加到617 K。材料的测温性能很大程度上受基质材料的影响,因此研究了Gd2(WO4)3:Er3+/Yb3+材料温度传感特性。研究发现,由于Er3+离子4S3/2能级劈裂为4S3/2(2)与4S3/2(1)能级,4F9/2能级劈裂为4F9/2(2)与4F9/2(1)能级,导致长波长的绿光峰与红光峰发生强烈的光谱劈裂。由于能级劈裂,Er3+离子由原来一对热耦合能级变为五对热耦合能级(2H11/2与4S3/2(2)、2H11/2与4S3/2(1)、2H11/2与4S3/2、4S3/2(2)与4S3/2(1)、4F9/2(2)与4F9/2(1)),分别研究了基于这五对热耦合能级的温度传感特性。研究发现相比于传统的2H11/2与4S3/2能级,基于Stark能级的可实现更高灵敏度的温度测量。尽管荧光峰值比技术通常基于热耦合能级,基于热耦合能级测温方法,在激发方式、探测手段上有很大的局限性。实际上,稀土离子绝大多数能级对为非热耦合能级,并且非热耦合能级的荧光峰值比也显示出温度依赖特性。因此,研究了Gd2(WO4)3:Ho3+/Tm3+/Yb3+发光材料基于非热耦合能级的温度传感特性,以及发光颜色随温度变化的性质。稀土掺杂Na Lu F4被认为是目前上转换发光效率最高的材料。红光对生物体具有较高的穿透深度,因此研究了Na Lu F4:20%Yb3+/2%Er3+/1%Tm3+发光材料基于红光能级(4F9/2与3F2)的温度传感特性,同时也研究了基于蓝光能级(1D2与1G4)与绿光能级(2H11/2与4S3/2)温度传感特性。另外,在Na Lu F4:Yb3+/Er3+材料中掺杂Mn2+离子改变红光与绿光的比值,Mn2+离子的4T1能级作为能量传递的桥梁,使Er3+离子的4S3/2与4F9/2能级之间形成一个能量传递的通路,而能量传递概率又是温度的函数。研究了Na Lu F4:Yb3+/Er3+与Na Lu F4:Yb3+/Er3+/Mn2+材料的温度传感特性。研究发现,在295-525 K温度范围内,Na Lu F4:Yb3+/Er3+/Mn2+发光材料基于非热耦合能级(4F9/2和4S3/2)的测温灵敏度大于Na Lu F4:Yb3+/Er3+发光材料基于热耦合(2H11/2和4S3/2)或非热耦合能级(4F9/2和4S3/2)的测温灵敏度。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O482.31

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