本文關鍵詞：基于稀土摻雜上轉(zhuǎn)換材料熒光峰值比的溫度傳感　出處：《哈爾濱工業(yè)大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：稀土摻雜的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料在溫度測量領域具有眾多的優(yōu)勢,如較高的空間分辨率、非侵襲性、快速響應、較強的電磁防護能力、全光系統(tǒng)避免了電火花等特性,因此在光學溫度傳感領域有著廣闊的應用前景。盡管上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料作為溫度傳感器被大量報道,但定量地分析溫度依賴的上轉(zhuǎn)換發(fā)光機制,還很少被報道。同時實現(xiàn)準確的溫度測量,以及提高的測溫靈敏度一直是眾多科研工作者努力的方向。本文的主要研究內(nèi)容如下:通過溶膠-凝膠法制備了薄膜與粉末形態(tài)的Gd2(Mo O4)3:1%Er3+/9%Yb3+上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料,分別研究了兩種形態(tài)樣品不同激發(fā)功率下的光熱效應。薄膜材料由于較少的光吸收,較快的熱耗散,導致其幾乎不受光熱效應影響。相反粉末壓片樣品由于較大的光吸收、較慢的熱耗散,因此受光熱效應影響很大。采用離子與離子(能量傳遞、交叉弛豫)、離子與聲子(聲子輔助的能量傳遞、無輻射弛豫)、離子與光子的相互作用(光吸收、自發(fā)輻射)建立理論模型并定量計算,闡述了薄膜材料的溫度依賴的上轉(zhuǎn)換發(fā)光機制,解釋其上轉(zhuǎn)換發(fā)光強度與溫度的變化關系。由于薄膜樣品幾乎不受光熱效應影響,可以實現(xiàn)準確的溫度測量,研究了295 K至675 K溫度區(qū)間Gd2(Mo O4)3:1%Er3+/9%Yb3+薄膜材料的溫度傳感特性。對于粉末壓片樣品具有較大的光熱效應,因此可以作為光學加熱器,并且定量計算了激發(fā)功率與材料溫度的關系,發(fā)現(xiàn)當激發(fā)功率從0.03 W增加到3.78 W時,粉末壓片樣品的溫度從323 K增加到617 K。材料的測溫性能很大程度上受基質(zhì)材料的影響,因此研究了Gd2(WO4)3:Er3+/Yb3+材料溫度傳感特性。研究發(fā)現(xiàn),由于Er3+離子4S3/2能級劈裂為4S3/2(2)與4S3/2(1)能級,4F9/2能級劈裂為4F9/2(2)與4F9/2(1)能級,導致長波長的綠光峰與紅光峰發(fā)生強烈的光譜劈裂。由于能級劈裂,Er3+離子由原來一對熱耦合能級變?yōu)槲鍖狁詈夏芗?2H11/2與4S3/2(2)、2H11/2與4S3/2(1)、2H11/2與4S3/2、4S3/2(2)與4S3/2(1)、4F9/2(2)與4F9/2(1)),分別研究了基于這五對熱耦合能級的溫度傳感特性。研究發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)的2H11/2與4S3/2能級,基于Stark能級的可實現(xiàn)更高靈敏度的溫度測量。盡管熒光峰值比技術通常基于熱耦合能級,基于熱耦合能級測溫方法,在激發(fā)方式、探測手段上有很大的局限性。實際上,稀土離子絕大多數(shù)能級對為非熱耦合能級,并且非熱耦合能級的熒光峰值比也顯示出溫度依賴特性。因此,研究了Gd2(WO4)3:Ho3+/Tm3+/Yb3+發(fā)光材料基于非熱耦合能級的溫度傳感特性,以及發(fā)光顏色隨溫度變化的性質(zhì)。稀土摻雜Na Lu F4被認為是目前上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率最高的材料。紅光對生物體具有較高的穿透深度,因此研究了Na Lu F4:20%Yb3+/2%Er3+/1%Tm3+發(fā)光材料基于紅光能級(4F9/2與3F2)的溫度傳感特性,同時也研究了基于藍光能級(1D2與1G4)與綠光能級(2H11/2與4S3/2)溫度傳感特性。另外,在Na Lu F4:Yb3+/Er3+材料中摻雜Mn2+離子改變紅光與綠光的比值,Mn2+離子的4T1能級作為能量傳遞的橋梁,使Er3+離子的4S3/2與4F9/2能級之間形成一個能量傳遞的通路,而能量傳遞概率又是溫度的函數(shù)。研究了Na Lu F4:Yb3+/Er3+與Na Lu F4:Yb3+/Er3+/Mn2+材料的溫度傳感特性。研究發(fā)現(xiàn),在295-525 K溫度范圍內(nèi),Na Lu F4:Yb3+/Er3+/Mn2+發(fā)光材料基于非熱耦合能級(4F9/2和4S3/2)的測溫靈敏度大于Na Lu F4:Yb3+/Er3+發(fā)光材料基于熱耦合(2H11/2和4S3/2)或非熱耦合能級(4F9/2和4S3/2)的測溫靈敏度。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O482.31

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