本文選題：溫度探測(cè)　切入點(diǎn)：上轉(zhuǎn)換　出處：《中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：基于稀土離子發(fā)光特性的測(cè)溫研究的理論和方法已經(jīng)日趨成熟,近幾年來(lái)涌現(xiàn)出大量的測(cè)溫方法與測(cè)溫材料。稀土離子用于測(cè)溫研究屬于半接觸式溫度探測(cè),與傳統(tǒng)的接觸式溫度探測(cè)(體溫計(jì),熱電偶溫度計(jì))相比,更適于在需要保留內(nèi)部結(jié)構(gòu)(生物體內(nèi),運(yùn)動(dòng)的流體中和密閉腔室內(nèi))以及惡劣的環(huán)境中應(yīng)用。有報(bào)道的測(cè)溫方法有強(qiáng)度比測(cè)溫,熒光壽命測(cè)溫,上升沿測(cè)溫和絕對(duì)強(qiáng)度測(cè)溫等多種方法。而幾乎所有的稀土離子適用于上述一種或多種方法進(jìn)行熒光測(cè)溫研究。這些方法各有其利弊,由于稀土離子和測(cè)溫方式本身的特點(diǎn),每種方法都有其適用的范圍和特定的適合環(huán)境。對(duì)于拓展稀土離子在熒光測(cè)溫方面的工作,需要從研發(fā)新的測(cè)溫材料與方法和突破原有方法的局限兩個(gè)方向出發(fā)。在眾多應(yīng)用稀土離子的測(cè)溫方法中,研究最多,適用的稀土離子最廣的當(dāng)屬熒光強(qiáng)度比測(cè)溫。熒光強(qiáng)度比測(cè)溫的主要精髓在于通過(guò)變化趨勢(shì)不同的兩個(gè)發(fā)光峰的對(duì)比來(lái)消除或者部分的消除一些對(duì)被測(cè)量的兩個(gè)發(fā)光峰有相同作用的外界條件的影響,從而減弱外界條件對(duì)測(cè)溫規(guī)律的影響。熒光強(qiáng)度比測(cè)溫中比較常見的一種類型是用稀土離子的熱耦合能級(jí)的發(fā)光做強(qiáng)度比來(lái)研究隨溫度變化的規(guī)律。稀土離子大量的階梯狀能級(jí)本身提供了大量的熱耦合能級(jí),因此很多稀土離子都可用此方法進(jìn)行溫度探測(cè)研究。得益于熱耦合能級(jí)的發(fā)光機(jī)理,得到的結(jié)果理論上只跟溫度單調(diào)相關(guān),而且這種類型的測(cè)溫方式測(cè)量方便易行。同樣也因?yàn)闊狁詈蠈?duì)能級(jí)差的要求,這種方法在應(yīng)用時(shí)的適用溫度范圍大致相同,而且所得到的測(cè)溫靈敏度有一定極限。盡管如此,該方法還是因其對(duì)環(huán)境依賴小,機(jī)理理論成熟和比較優(yōu)秀的靈敏度得到了廣泛的研究。近年來(lái),非熱耦合能級(jí)的測(cè)溫也越來(lái)越多的出現(xiàn),利用隨溫度變化趨勢(shì)相反的發(fā)光峰的強(qiáng)度比,一些材料在一些特定的溫度范圍里可以獲得較高的靈敏度。利用熒光壽命進(jìn)行測(cè)溫也是非接觸式測(cè)溫材料的一大研究熱門,測(cè)溫范圍比較靈活,通常隨基質(zhì)和摻雜離子的變化有較大的變化,而且在一定溫度區(qū)間內(nèi)變化較為劇烈。本文的工作主要集中在高靈敏度的熒光強(qiáng)度比和壽命測(cè)溫材料研究和對(duì)其應(yīng)用的嘗試上。第一章緒論部分首先介紹了稀土離子的基本特性,稀土離子發(fā)光機(jī)理和由稀土離子特殊能級(jí)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的例如能量傳遞、上轉(zhuǎn)換發(fā)光與電荷遷移態(tài)發(fā)光等現(xiàn)象。其次又介紹了稀土離子摻雜的非接觸式測(cè)溫的原理和應(yīng)用前景,并著重介紹了熒光強(qiáng)度比測(cè)溫和熒光壽命測(cè)溫兩種方法的原理和研究方向。第二章研究了稀土離子摻雜的納米顆粒的合成和測(cè)溫工作。我們通過(guò)溶劑熱法合成了 BaYF5:Yb3+,Er3+和BaYF5:Dy3+納米顆粒,并通過(guò)X射線衍射圖(XRD)和透射電子顯微鏡進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和形貌的表征。在980nm激光的激發(fā)下,測(cè)量了 BaYF5:Yb3+,Er3+納米顆粒的上轉(zhuǎn)換發(fā)光光譜,研究了 Er3+離子的4G11/2和2H9/2這一對(duì)熱耦合能級(jí)的熒光強(qiáng)度比隨溫度的變化規(guī)律并且與常用的Er3+離子的2H11/2與4S3/2的熒光強(qiáng)度比測(cè)溫的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。通過(guò)對(duì)兩能級(jí)發(fā)光的壽命測(cè)量解釋了較低溫度(室溫附近)時(shí)強(qiáng)度比隨溫度變化反常的原因。通過(guò)355 nm激光的激發(fā),測(cè)量得到了 BaYF5:Dy3+納米顆粒的發(fā)射光譜和熱耦合能級(jí)4I15/2和4F9/2的變溫光譜。通過(guò)兩組不同的變溫?zé)晒鈴?qiáng)度比,分析了兩組數(shù)據(jù)擬合得到能級(jí)差區(qū)別的原因,并分別得到了兩種方法的靈敏度。第三章的工作是本文工作的重點(diǎn)內(nèi)容,對(duì)二價(jià)釤離子摻雜的硼酸鍶樣品的熒光性質(zhì)做了詳盡的分析與研究。通過(guò)高溫固相法在還原性氣體的環(huán)境下合成了SrB4O7:5%Sm2+的樣品,通過(guò)XRD圖分析確定的樣品的晶相。在355 nm激光的激發(fā)下,對(duì)SrB4O7:Sm2+的變溫光譜、熒光強(qiáng)度比、熒光壽命衰減曲線以及發(fā)光顏色都進(jìn)行了充分的研究和分析。Sm2+與Eu3+有著相同的電子組態(tài),由于二價(jià)釤離子的4f5d組態(tài)能級(jí)的高度相對(duì)Eu3+離子更低,使其對(duì)Sm2+離子的5D0,5D1和5D2能級(jí)的發(fā)光產(chǎn)生影響。在溫度較高時(shí),5DJ(J=0,1,2)能級(jí)與4f5d組態(tài)的能級(jí)之間可以實(shí)現(xiàn)熱平衡。盡管4f5d能級(jí)和5D0之間的能差很大,超過(guò)一般情況下的最大能級(jí)差2000 cm-1,兩能級(jí)仍然能夠達(dá)到熱平衡。對(duì)于熱耦合能級(jí)來(lái)說(shuō),能級(jí)差越大,相對(duì)靈敏度就越高。因此,利用4f5d能級(jí)和5D0能級(jí)的發(fā)光峰的強(qiáng)度比來(lái)做測(cè)溫研究,能夠得到比普通熱耦合能級(jí)更高的靈敏度。在500K時(shí),強(qiáng)度比測(cè)溫的靈敏度達(dá)到了 2.16%K-1。由于4f5d能級(jí)自身的躍遷速率遠(yuǎn)大于4f能級(jí),當(dāng)兩者達(dá)到熱平衡以后,溫度越高,4f5d能級(jí)躍遷的比重越高,壽命越短。因此壽命隨溫度也會(huì)有一個(gè)很大的變化。由于與強(qiáng)度比測(cè)溫不同的機(jī)理,隨溫度升高相對(duì)靈敏度不會(huì)隨溫度升高而降低。從500K以后,壽命測(cè)溫的靈敏度可以維持在3.36%K-1。由于樣品的發(fā)射光譜跨波長(zhǎng)范圍較大,因而隨溫度變化,發(fā)光顏色也有很大的改變,將樣品放在溫度不均勻的環(huán)境中還可以通過(guò)肉眼來(lái)觀察大致的溫度分布與溫度變化情況。利用這一性質(zhì)做出了一個(gè)簡(jiǎn)單的顏色溫度場(chǎng)。在該溫度場(chǎng)上測(cè)量了若干點(diǎn)光譜和熒光壽命數(shù)據(jù),從而簡(jiǎn)單的驗(yàn)證了樣品在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn),并且對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差進(jìn)行了具體的分析。SrB4O7:5%Sm2+樣品的高溫度靈敏性和多樣的測(cè)溫方式使得該樣品在測(cè)溫方面有著極大的優(yōu)勢(shì)。第四章的工作主要是對(duì)氟化鐿鉀納米顆粒樣品的上轉(zhuǎn)換發(fā)光的研究。通過(guò)溶劑熱法和改變實(shí)驗(yàn)條件,我們合成了 KYb2F7:Er3+與KYb3F10:Er3+兩種納米顆粒。通過(guò)XRD圖和TEM圖對(duì)兩樣品的物相和形貌進(jìn)行了分析,并在980nm激光的激發(fā)下測(cè)量了樣品的發(fā)射譜。通過(guò)計(jì)算Er離子與Yb離子在兩中樣品中的距離,找到了導(dǎo)致兩樣品中Er3+離子發(fā)射光譜不同原因。兩種樣品的發(fā)光都有著較好的單色性,在白光LED和生物標(biāo)定等領(lǐng)域有一定的應(yīng)用前景。
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【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O482.31

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1 曹中民;基于稀土摻雜發(fā)光材料的高靈敏度溫度探測(cè)研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2017年

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本文編號(hào)：1655244