一种增强β-NaLuF4：Yb3 /Er3 光学温度传感器灵敏度的方法外文翻译资料

一种增强beta;-NaLuF₄：Yb³ /Er³ 光学温度传感器灵敏度的方法

Kezhi Zheng, Guanghui He, Weiye Song, Xueqing Bi and Weiping Qin*

本文通过使用非热耦合水平的Er³ 来开发用于增强光学温度的灵敏度的方法。在980nm激光的激发下，研究了Er³ 的244nm和256nm上转换发光（UCLs）的温度依赖性。确认相应的²I_11/2和⁴D_7/2水平是非热耦合水平。通过使用荧光强度比（FIR）技术并通过研究²I_11/2和⁴D_7/2水平的不同热群体行为，首次实现了基于Er³ 的非热耦合水平的光学温度传感性能。获得的最大传感器灵敏度在525 K时为0.106 K^-1，远高于使用热耦合基于电平的FIR技术的所有其他RE³ 掺杂光学温度计的灵敏度。这表明使用来自邻近的非热耦合RE³ 水平的FIR是一种用于增强光学温度计的传感器灵敏度的有前途的方法。

介绍

高精度和高分辨率温度测量是科学和工业领域中具有挑战性的研究课题。由于其无创模式和快速响应，基于发光的测量是最重要的确定技术之一。最近，基于不同发射线之间的荧光强度比（FIR）的非接触式光学温度传感器由于其优异的灵敏度和准确度而引起了很大的兴趣。此外，与其他温度测量技术相比，这种光学测温方法可以降低测试条件的依赖性，如荧光损失和电磁兼容性问题，从而在生物相容性温度探头，电站，煤矿，炼油厂中具有潜在应用价值等。

稀土离子（RE³ ）具有多种能级结构，由于近红外（NIR）激发源及其内部4f跃迁产生的独特光学特性，对RE³ 掺杂上转换发光（UCL）纳米粒子的兴趣在科学界内经历了激增。此外，通过研究RE³ 离子的能级分布，我们发现Er³ ，Tm³ ，Ho³ ，Gd³ ，Pr³ ，Nd³ 等具有成对的热耦合能级，这使得它们成为使用FIR技术进行光学测温的潜在候选者。作为最重要的RE³ 之一，Er³ 具有丰富的阶梯式能级结构，这是伦敦大学学院的理想活化剂。 更重要的是，在过去的几年中，通过比较²H_11/2和⁴S_3/2的热耦合电子水平的发射强度，Er³ 掺杂的UCL材料已被广泛认为是光学温度传感器。众所周知，Er³ 离子在紫外（UV）区域具有多个能级结构。在我们之前的研究中，已经报道了在NIR激光激发下Er³ 的UV UCLs在氟化物纳米/微粒中的应用。然而，迄今为止报道的光学测温结果很少，主要涉及UV区域中Er³ 的UCL。

通常,FIR方法是通过利用由Boltzmann型种群分布控制的两个附近电子能级的温度相关发光强度来实现的。众所周知，荧光强度与两个热平衡水平的总体成比例，因此，FIR可以表示为Cexp（△E/kT），其中C是常数，△E，k和T代表能量 两个附近水平之间的差异，玻尔兹曼常数和绝对温度。根据基于FIR的光学温度计的原理，传感器灵敏度是确定温度传感器性能的重要参数，与相应的热耦合能级的能隙成比例。众所周知，能隙越大，传感器灵敏度越高。然而，为了确保光学活化剂（RE³ ）的较高水平从其较低水平热填充，RE³ 离子的发射水平之间的能量差在约2000cm^-1处上限。尽管通过使用Nd³ 的热耦合水平，NaYF₄：Nd³ 微晶中的最高灵敏度达到了2.8times;10 ^-2 K ^-1，但由于热耦合水平之间的能隙限制，难以实现进一步提高传感灵敏度， 正如刚才提到的。

在此，我们提出了一种通过Er³ 的非热耦合水平来增强温度传感器灵敏度的策略。 在该工作中选择六方相（beta;-）NaLuF₄作为基质材料。 在用980nm NIR激光器激发时，研究了在235-270nm的UV区域中的Er³ 的UC发射。 通过改变样品温度系统地讨论了Er³ 的244nm至256nm的发光强度比。在300-525K的温度范围内研究了源自Er³ 的²I_11/2和⁴D_7/2态的相关热行为。通过使用Er³ 的非热耦合水平（²I_11/2和⁴D_7/2），在这种基于UV的传感器中实现了高灵敏度。在这项工作中，最高的传感器灵敏度达到了0.106K^-1，这优于所有先前报道的RE³ 掺杂温度传感器，它采用了基于热耦合电平的FIR技术。基于Er³ 的非热耦合水平的这种新颖的温度传感性能与其成像特性相结合，使得基于Er³ 的UV UCL材料成为潜在生物应用的有希望的平台。

实验步骤

化学制品

原料化学品包括

LuCl₃bull;6H₂O，YbCl₃bull;6H₂O，ErCl₃bull;6H2O

（均为纯度999.999％，上海沙博化工科技有限公司中国），

NaOH，NH₄F（均为分析型纯度，北京精细化工公司，中国），

1-十八碳烯（ODE，90％，Alfa Aesar）和油酸（OA，90％，Alfa Aesar），

无需进一步纯化即可使用。

样品制备

通过热分解法制备NaLuF₄：Yb³ /Er³ 样品，其简要描述如下。

在合成NaLuF₄的典型方法中：将20％Yb³ ，1.5％Er³ ，1mmol RECl₃bull;6H₂O（RE = Lu，Yb，Er）加入到含有一定量ODE和OA的100mL三颈圆底烧瓶中。将溶液磁力搅拌并加热30分钟至150℃以除去残留的水和氧气。然后，在温和的氩气流下通过反应烧瓶将温度冷却至室温。同时，加入NH₄F和NaOH溶解在甲醇中的溶液，然后将温度升至50℃。蒸发甲醇后，将反应混合物在氩气下加热至300℃，保持60分钟，然后自然冷却至室温。通过加入乙醇沉淀所得产物，通过离心收集，然后用乙醇洗涤三次。

描述

通过Rigaku RU-200b X射线粉末衍射仪（XRD）使用镍过滤的Cu-Kalpha;辐射（lambda;=1.5406Aring;）分析晶体结构。通过透射电子显微镜（TEM，HitachiH-600）研究样品的尺寸和形态。使用Hitachi F-4500荧光分光光度计记录UCL光谱，其配备有功率可控的980nm CW二极管激光器作为激发源。通过使用一组自制设备来控制样品的温度。

结果和讨论

图1（a）NaLuF₄：Yb³ /Er³ 纳米晶体的XRD图谱和六方相NaLuF₄的标准数据（JCPDS No.27-726）;

图1（a）显示样品的XRD图。很明显，样品是beta;-NaLuF₄，这与JCPDS No.27-726的标准值非常一致。

（b）NaLuF₄：Yb³ /Er³ 纳米晶体的TEM图像。

如图1（b）所示，使用TEM的样品的形态分析显示，合成后的NaLuF₄：Yb³ /Er³ 纳米颗粒近似为球形，具有几乎均匀的尺寸分布。NaLuF₄纳米晶的直径平均为约40nm。

在980nm激发300mW，NaLuF₄：Yb³ /Er³ 纳米晶体在UV区域发射UC发光，如图2所示。

图2 beta;-NaLuF₄：Yb³ /Er³ 纳米晶体的UC发射光谱在235-271nm的范围内。

观察到235-271nm范围内的两种特征发射。以244 nm和256 nm为中心的UC发射分别来自Er³ 的²I_11/2-⁴I_15/2和⁴D_7/2-⁴I_15/2跃迁.在Yb³ -Er³ 共掺杂的NaLuF₄纳米晶体中，连续 从Yb³ 离子到Er³ 的能量转移（ET）对于填充Er³ 的高能态是重要的。

图3 Yb³ 和Er³ 离子的能级图以及提出的UC过程。

图3给出了Yb³ 和Er³ 离子能级图中可能的UC种群方式。紫外线的过程（²I_11/2和⁴D_7/2）Er³ 的水平可以清楚地描述为：,

其中NR代表从激发的Er³ 到其较低水平的非辐射松弛。

图4（a）beta;-NaLuF₄：Yb³ /Er³ 纳米晶体在235-271 nm范围内的温度依赖性UCL光谱和（b）温度依赖性积分发射强度²I_11/2 - ⁴I_15/2和⁴D_7/2-Er³ 的⁴I_15/2跃迁。

为了研究²I_11/2和⁴D_7/2水平的Er³ 的热群体行为，讨论了244 nm和256 nm UC发射，其中样品温度从300 K变化到525 K.图4（a）显示了NaLuF₄：Yb³ /Er³ 纳米晶体的相应的温度依赖性UCL光谱。来自Er³ 的²I_11/2- ⁴I_15/2和⁴D_7/2-⁴I_15/2跃迁的发射带几乎没有重叠，这有利于测量其发射强度的准确性。此外，很明显，随着样品温度的升高，244nm和256nm的发射强度发生了很大变化。根据UCL光谱计算的I₂₄₄和I₂₅₆的积分发射强度的详细变化如图4（b）所示。显然，在整个研究的温度范围内，I₂₅₆的发射强度强于I₂₄₄。此外，随着样品温度从300 K增加到525 K，I₂₄₄和I₂₅₆均下降，这主要归因于热猝火。

为清楚起见，图4（a）中的所有UCL光谱已经标准化以比较I₂₄₄和I₂₅₆之间的相对强度比。

图5（a）显示了235nm至271nm的NaLuF₄：Yb³ / Er³ 纳米晶体的相应标准化UCL光谱。它们的测量范围为300 K至525 K，标准化为244 nm。很明显，随着样品温度的升高，I₂₄₄/I₂₅₆的相对强度比显着下降。根据玻尔兹曼分布，来自一对热耦合水平的I_upp

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