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荧光热增强型稀土掺杂钨钼酸盐的比率测温研究

荧光热增强型稀土掺杂钨钼酸盐的比率测温研究

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作者：常纪文河北大学

学位级别：硕士

温度作为物理学中一个极其重要的基本参量,在日常生活和工业生产等方面都扮演着关键角色。随着社会工业化的迅速发展,对温度进行精确测量的需求日益迫切,推动精确温度测量技术的发展变得极为关键。近年来,由于具有高灵敏度、测量便捷性... 详细信息

温度作为物理学中一个极其重要的基本参量,在日常生活和工业生产等方面都扮演着关键角色。随着社会工业化的迅速发展,对温度进行精确测量的需求日益迫切,推动精确温度测量技术的发展变得极为关键。近年来,由于具有高灵敏度、测量便捷性、对介质干扰的低敏感度以及快速响应性等突出优点,新型的荧光比率测温技术引起了广泛关注。然而,荧光测温材料普遍面临着热猝灭和浓度猝灭的问题,这严重限制了荧光比率测温技术的性能提升。尽管通过晶格负热膨胀、声子辅助热布局、表面重构等手段实现荧光热增强是可行的途径,但相关机理尚不完全清晰且增强效果有限。同时浓度猝灭会导致测量结果的不准确性或失真,对发光测温技术来说也是一个重要的挑战。本论文旨在克服这些问题,实现稀土发光的热增强和抗浓度猝灭,以此建立比率测温模型。本论文将从以下三个方面进行详细探讨:（1）第三章详细探讨了双钨酸盐的结构限域效应对浓度猝灭现象的抑制作用,并在单一基质中实现了Tb3+和Eu3+接近100%的荧光量子产率。为了阐明结构限域在抗浓度猝灭中的作用,我们通过在NaYW2O8晶体中掺杂典型的镧系元素激活剂(如Eu3+,Yb3+,Sm3+,Pr3+和Dy3+)进行了一系列对比实验。实验结果结合理论分析表明,掺杂离子在NaYW2O8晶体中的配位多面体能够得到有效隔离,这种隔离减弱了激活剂离子间的能量交换作用。这种通过减少非辐射能量迁移来避免浓度猝灭的机制可以使得多种稀土离子展示出较高的猝灭浓度阈值。这项研究不仅提供了一种抑制浓度猝灭的有效途径,也为温度传感性能的进一步优化奠定了坚实的基础。（2）在成功抑制浓度猝灭现象的基础上,第四章专注于研究高掺杂浓度对激发态吸收热增强性能的影响机制。实验结果显示高掺杂浓度能够有效促进交叉弛豫过程,从而显著提升激发态吸收下的荧光热增强效果。具体来说,通过增加掺杂剂浓度能够在热刺激下促使更多基态电子向第一激发态跃迁,导致Tb3+的5D4→7F5跃迁在303-603 K的宽温度范围内实现了超过20倍的发光热增强。这种显著的热增强性能不仅大幅提升了单波段测温技术的性能(Sr=4.01%K-1,T=0.115 K)。通过制备的柔性薄膜温度传感器,进一步展示了其在微电子器件等领域的广泛应用前景。（3）在前期研究成果的基础上,第五章着重研究具有白钨矿结构的CaMo O4材料,探讨了基质发光对稀土离子的能量转移及荧光热增强。值得注意的是,CaMo O4材料本身展现出较强的发光性能。基于声子辅助的能量传递过程,我们成功实现了多种稀土离子的发光热增强效应。通过掺杂不同的稀土离子,进一步扩展了可见-近红外区域比率温度测量的研究。选择Tm3+作为代表掺杂离子,我们不仅实现了随温度变化过程中,暖白光到蓝紫光的可视化颜色切换效果,还通过两个发光中心的不同热响应行为,显著提升了材料的相对灵敏度和温度分辨率性能,在303 K时分别达到了Sr=9.02%K-1和T=0.018 K。以上结果表明,热致变色的CaMo O4:RE3+荧光粉在非接触温度传感领域展现出巨大潜力。

关键词：稀土离子热增强浓度猝灭能量传递发光测温法

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