【摘要】：在科學領(lǐng)域的各個方面,溫度是最基礎(chǔ)的物理量之一,它的精確測量和標定在科學研究、技術(shù)應(yīng)用以及工業(yè)等領(lǐng)域具有十分重要的現(xiàn)實意義和研究價值。各種各樣的溫度傳感器也被廣泛應(yīng)用在日常生活、計量學、氣體力學、大氣和海事方面以及化學、醫(yī)學、生物學和軍事技術(shù)等領(lǐng)域。據(jù)估計,溫度傳感器的份額占到了所有傳感器的75-80%。隨著能源、信息和生物醫(yī)學等領(lǐng)域的高速發(fā)展,對溫度探測的速度和精度提出了更高更復(fù)雜的要求,例如亞微米乃至納米尺度的溫度測量、生物體內(nèi)細胞的溫度探測等。然而,傳統(tǒng)溫度計在探測速度和精度上會受到極大的限制,而且通常只能滿足10微米以及以上尺度溫度的測量。在這種情況下,基于光學傳感實現(xiàn)非接觸式的溫度探測可以克服傳統(tǒng)接觸式溫度計內(nèi)在的缺點而逐漸成為人們研究的熱點,它可以滿足非接觸式、高空間分辨率、快速響應(yīng)實時探測等測量需求。在一定溫度范圍內(nèi),發(fā)光材料或離子的某些光學特性,例如峰值位置、熒光強度比、光譜線寬、熒光強度、偏振各向異性以及熒光衰減壽命等等,隨著溫度的改變而發(fā)生改變,因此可以利用這些光學特性的變化來標定溫度。其中,熒光強度比技術(shù)和熒光壽命測量被認為是更具有潛在應(yīng)用價值的測溫技術(shù),它們對測量條件的依賴較小,不受熒光損失、激發(fā)光源強度的波動,以及發(fā)光中心數(shù)量和分布等條件的限制,測量誤差較小,因而具有較高的溫度分辨率。因此,本論文就是圍繞著可用于溫度傳感的固體發(fā)光材料開展的,主要目的在于尋找新的材料和新的物理機制來進行溫度探測,主要內(nèi)容和研究成果如下：第一章是本論文的緒論部分,主要介紹了非接觸式溫度探測的選題意義、研究背景和現(xiàn)狀,以及幾種非接觸式溫度探測的方法。并且對稀土摻雜發(fā)光材料的基礎(chǔ)知識和基本原理進行了簡單介紹,包括稀土元素、稀土的光譜理論、稀土發(fā)光材料、上轉(zhuǎn)換發(fā)光以及常用的光譜表征手段等等。第二章中,我們介紹了基于Ho3+離子熱耦合能級熒光強度比用于溫度探測的方法。首先,我們利用熔融冷卻法成功合成了Yb3+-Ho3+離子摻雜透明β-NaYF4微晶玻璃,并通過X射線衍射譜和透射電鏡圖對微晶玻璃進行了結(jié)構(gòu)和形貌的表征。以980 nm波長激光作為激發(fā)光源,我們對Ho3+離子的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜進行了詳細研究,表明yb3+和Ho3+離子進入β-NaYF4晶格中。我們以Ho3+離子的熱耦合能級5F1/SG6和5F2.3/3K8為例,對其熒光強度比與溫度的依賴關(guān)系進行了詳細研究。在390 K至750 K溫度范圍內(nèi),它們到基態(tài)5I8的發(fā)射峰的熒光強度比隨溫度變化有劇烈的依賴關(guān)系。其熒光強度比滿足玻爾茲曼分布,隨著溫度升高呈現(xiàn)出指數(shù)型增長,可以擬合得到其熱耦合能級的有效能差為1438 cm-1,并給出了其相對靈敏度曲線,在390 K時相對靈敏度達到最大值1.37%·K-1。此外,還對稀土離子熱耦合能級的熒光強度比測溫技術(shù)的可行性和局限性進行了討論。除了稀土離子熱耦合能級的熒光強度比測溫技術(shù)之外,基于熒光衰減壽命的溫度探測也是一種具有廣闊應(yīng)用前景的測溫方法,第三章的研究就是基于Cr3+離子的熒光衰減壽命的溫度特性開展的。Cr3+離子的能級劈裂隨著其所處晶體場的變化而變化,在LiAl5O8晶格中,Cr3‘離子的第一激發(fā)態(tài)為2E能級,能級4T2則處于能量更高的位置。第三章中,我們通過燃燒法制備了一系列不同濃度Cr3+離子摻雜LiAl5O8的樣品,并對其進行了結(jié)構(gòu)和形貌的表征,分析了Cr3+離子在該基質(zhì)中位于可見波段的激發(fā)和發(fā)射光譜,并對其發(fā)光特性對溫度的依賴關(guān)系進行了深入研究。結(jié)果表明,位于713.7 nm的發(fā)射峰(R1線),源自于Cr3+離子2E→4A2能級的躍遷,且該發(fā)射峰在發(fā)射強度、峰值位置以及熒光壽命方面對于溫度均有一定的依賴關(guān)系。值得一提的是,R1線的熒光壽命隨溫度變化有強烈的依賴關(guān)系。因2E一4A2的躍遷是禁戒的,壽命較長；而4T2—4A2的躍遷是允許的,壽命較短。隨著溫度的升高,越來越多的粒子數(shù)占據(jù)在4T2能級上,因而壽命變短。在200 K至600 K溫度范圍內(nèi),R1線的壽命從4.31 ms下降至0.38 ms,且其絕對靈敏度在400 K時達到最大值0.015 ms·K-,以及相對靈敏度在447 K時達到最大值0.83%.K-1,進而表明LiAl5O8:Cr3+是潛在的測溫傳感材料,并且該材料用于溫度探測的優(yōu)勢在于具有較大的測溫區(qū)間。同時,在第四章中,我們嘗試了利用Eu3+熒光衰減曲線的上升沿特征時間來進行溫度探測,并取得了較好的實驗結(jié)果。我們通過高溫固相法制備了不同Eu3‘摻雜濃度的BaY2ZnO5粉末樣品,并對Eu3+的5D0發(fā)射峰的熒光衰減曲線的上升沿特征時間對溫度的依賴關(guān)系進行了深入研究。隨著溫度升高,無輻射躍遷速率增大,因而上升沿特征時間壽命呈現(xiàn)出變短的趨勢。結(jié)果表明,在330K至510K溫度范圍內(nèi),其擬合上升壽命由207μs降至16μs,表現(xiàn)出了強烈的溫度依賴特性,其絕對靈敏度可達1.1μs-K-1,而相對靈敏度在490 K時達到最大值2.2%·K-1,該相對靈敏度優(yōu)于大部分目前所報道的測溫材料的相對靈敏度。因此,利用上升沿特征時間用于溫度探測是一種可行的方法,為非接觸式溫度探測提供了一種新的思路,而且BaY2ZnO5:Eu3+材料在應(yīng)用于溫度探測方面具有巨大的潛力。最后,對本論文的主要內(nèi)容和應(yīng)用前景進行了總結(jié)與展望。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O482.31

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本文編號：2475349