近日，蘭州大學(xué)材料與能源學(xué)院王育華教授課題組在溫度傳感用發(fā)光材料領(lǐng)域取得了新進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Luminescence Thermometry via MultiParameter Sensing in YV1-xPxO4:Eu3+, Er3+”為題于2025年4月4日發(fā)表在《Journal of the American Chemical Society》。蘭州大學(xué)材料與能源學(xué)院博士生馬一璇為論文第一作者，王育華教授和荷蘭皇家科學(xué)院院士、蘭州大學(xué)兼職教授Andries Meijerink為通訊作者。該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金資助。

發(fā)光測(cè)溫是一種通過利用溫度依賴性發(fā)光特性實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度傳感的技術(shù)?；趦蓚€(gè)熱耦合發(fā)射能級(jí)的鑭系摻雜發(fā)光材料，其發(fā)光強(qiáng)度比（LIR）隨溫度變化的特性已被成功用于設(shè)計(jì)高靈敏度發(fā)光溫度計(jì)。然而，鑭系元素4fn→4fn禁戒躍遷的低吸收強(qiáng)度限制了材料亮度，且此類玻爾茲曼型溫度計(jì)僅在有限溫區(qū)對(duì)溫度敏感。為解決上述問題，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型發(fā)光溫度探針：YV1-xPxO4:Eu3+, Er3+。該體系通過釩酸鹽的強(qiáng)寬帶電荷轉(zhuǎn)移吸收敏化鑭系離子發(fā)光，并利用磷酸鹽/釩酸鹽取代（x的變化）調(diào)控Eu3+發(fā)光的熱猝滅溫度，成功實(shí)現(xiàn)可調(diào)的寬范圍最佳測(cè)溫區(qū)間。通過多參數(shù)傳感策略，該材料在室溫至873K寬溫域內(nèi)展現(xiàn)出0.5%/K至超過5%/K的可調(diào)相對(duì)靈敏度。為驗(yàn)證實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，研究團(tuán)隊(duì)將其用于芯片原位溫度檢測(cè)，測(cè)溫精度優(yōu)于1K，充分證明其在精確溫度領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

多參數(shù)傳感發(fā)光探針YV??xPx0?：Eu3+，Er3+概述圖

溫度傳感在各領(lǐng)域具有基礎(chǔ)且廣泛的應(yīng)用價(jià)值，從監(jiān)測(cè)人體體溫異常等日常應(yīng)用，到工業(yè)設(shè)備中的化學(xué)反應(yīng)調(diào)控、電子設(shè)備熱管理等專業(yè)領(lǐng)域均有涉及。近年來，基于鑭系離子溫度依賴性發(fā)光特性的遠(yuǎn)程光學(xué)測(cè)溫技術(shù)發(fā)展迅速，對(duì)其靈敏度和測(cè)溫精度提出了更高要求。隨著催化反應(yīng)監(jiān)測(cè)、微流控芯片熱管理及高功率器件熱分析等領(lǐng)域的發(fā)展，開發(fā)適用于高溫環(huán)境（T400 K）的新型溫度探針以實(shí)現(xiàn)高分辨率遠(yuǎn)程溫度傳感，已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

實(shí)現(xiàn)寬溫域穩(wěn)定且靈敏的溫度檢測(cè)至關(guān)重要。基于兩個(gè)熱耦合能級(jí)發(fā)光強(qiáng)度比(LIR)的測(cè)溫方法因其具有高相對(duì)靈敏度Sr、自校準(zhǔn)特性，以及對(duì)局部環(huán)境變化不（非完全）敏感等優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注。然而，這類探針的高Sr溫度范圍有限，且在高溫區(qū)靈敏度急劇下降，嚴(yán)重制約其在寬溫域過程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。此外，多數(shù)鑭系玻爾茲曼溫度探針的激發(fā)過程涉及宇稱禁阻的4fn→4fn躍遷，其弱吸收特性導(dǎo)致納米探針亮度受限。特別是在需要短采集時(shí)間（如高分辨率溫度成像）、低激發(fā)強(qiáng)度或弱發(fā)射收集效率的應(yīng)用場(chǎng)景中，高亮度納米探針對(duì)獲得理想溫度精度至關(guān)重要。

圖 (a-c) 芯片原位溫度檢測(cè)示意圖。(d) 使用 YVO4:2%Er3+,1%Eu3+納米發(fā)光溫度計(jì)涂覆于芯片表面在310nm激發(fā)下隨溫度變化的發(fā)射光譜。(e) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的實(shí)際溫度 (TR) 曲線、變溫裝置的設(shè)定溫度 (TS) 曲線，以及根據(jù) Er3+ 2H11/2-4S3/2 LIR玻爾茲曼測(cè)溫法計(jì)算的芯片溫度(TC-B)。(f) 不同溫度下TC-B與TR之間的誤差。(g) 表面涂覆納米發(fā)光溫度計(jì)的芯片的變溫發(fā)射光譜。(h) TR 曲線、TS 曲線以及根據(jù) Er3+/Eu3+ LIR測(cè)溫法計(jì)算出的芯片溫度(TC-M)。 (i) 不同溫度下 TC-M 與 TR 之間的誤差。

為解決上述關(guān)鍵科學(xué)問題，王育華教授課題組開發(fā)了一種新型YV1-xPxO4:Eu3+，Er3+發(fā)光溫度探針。該體系通過釩酸鹽的強(qiáng)寬帶電荷轉(zhuǎn)移吸收敏化鑭系離子發(fā)光，并利用磷酸鹽/釩酸鹽取代（x的變化）調(diào)控Eu3+發(fā)光的熱猝滅溫度，成功實(shí)現(xiàn)可調(diào)的寬范圍最佳測(cè)溫區(qū)間。此外，該材料具有多種溫度依賴發(fā)光特性：Er3+的2H11/2/4S3/2發(fā)光強(qiáng)度比、Er3+與Eu3+積分發(fā)光強(qiáng)度比、以及Eu3+熒光壽命?；诙鄥?shù)傳感策略，微/納米晶溫度探針在室溫至873K寬溫域內(nèi)展現(xiàn)出0.5%/K至超過5%/K的可調(diào)相對(duì)靈敏度。研究團(tuán)隊(duì)將其用于芯片原位溫度檢測(cè)，測(cè)溫精度優(yōu)于1K，充分證明這種新型發(fā)光溫度計(jì)在精密測(cè)溫領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c02306

審核編輯 黃宇