【摘 要】
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温度是物理、化学、生物、医学和工业技术等许多领域的重要热力学参数。人们根据体积、压力、电压和电阻等参数的变化,发展了各种温度测量技术。然而,随着社会的进步,在腐蚀性强、可燃气体浓度高、磁场强等特殊环境中,对非接触式远程测温技术的要求越来越高。例如集成光电器件,需要一种响应速度快、抗强电磁场环境的温度计。在这种情况下,大多数普通的温度检测技术都不适用,因此新的非接触式温度测量技术越来越受到关注。基于
【基金项目】
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广东省科学技术厅应用型科技研发及重大科技成果转化专项（项目编号:2017B010127002）； 广州市产学研协同创新重大专项（对外科技合作专题）（项目编号:201704030106）；
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温度是物理、化学、生物、医学和工业技术等许多领域的重要热力学参数。人们根据体积、压力、电压和电阻等参数的变化,发展了各种温度测量技术。然而,随着社会的进步,在腐蚀性强、可燃气体浓度高、磁场强等特殊环境中,对非接触式远程测温技术的要求越来越高。例如集成光电器件,需要一种响应速度快、抗强电磁场环境的温度计。在这种情况下,大多数普通的温度检测技术都不适用,因此新的非接触式温度测量技术越来越受到关注。基于光学的温度传感是近年来发展起来的最有前途的非接触温度传感技术之一,它依靠分析温度变化引起的光谱特征参数变化来实现热感测,具有无损、精度高、响应快、不受环境电磁信号干扰等优点,此外,它还可以对纳米尺度和大面积的温度进行检测。本论文基于荧光发射原理,用高温固相法制备并研究几种新型的非接触式温度传感材料,分析它们的温度传感特性和潜在的应用价值。用高温固相法合成了一系列的Na3ScB2O6:Ce3+荧光粉。X射线衍射谱证明Ce3+掺杂进入基质并且没有产生杂相。Ce3+离子在Na3ScB2O6基质中的发射光谱和激发光谱表明样品的发射强度随Ce3+掺杂浓度的增加而增强,最佳掺杂摩尔浓度为1%;并对光谱对应的跃迁情况进行了分析。测量了样品的荧光衰减曲线,根据拟合公式求得了荧光寿命。通过测量和分析变温光谱,获得了荧光积分强度与温度的关系,并通过曲线拟合得到了它们之间的数学关系式;计算获得Na3ScB2O6:0.01Ce3+荧光粉测温的最佳灵敏度为1.03%K-1。结果表明了Na3ScB2O6:0.01Ce3+荧光粉是一种潜在的荧光测温材料,有望在荧光测温领域中应用。用高温固相法制备了一系列的Na3ScB2O6:Ce3+,Mn2+荧光粉,X射线衍射谱表明Ce3+、Mn2+成功掺杂入基质并且没有产生杂相。研究了Ce3+、Mn2+离子在Na3ScB2O6基质中的发射光谱和激发光谱。结果表明,Ce3+、Mn2+共掺时,在Ce3+掺杂浓度为1%时Mn2+的最佳掺杂浓度为9%。通过对比Mn2+的激发光谱与Ce3+的发射光谱、Ce3+和不同浓度Mn2+共掺时的发射光谱的变化、Ce3+在不同Mn2+掺杂浓度下的荧光寿命变化,可以证明在Na3ScB2O6:Ce3+,Mn2+中存在着Ce3+-Mn2+的共振型能量传递。变温光谱的研究表明,Na3ScB2O6:0.01Ce3+,0.09Mn2+荧光粉作为荧光测温材料在473K时的最佳灵敏度与分辨率分别为1.13%K-1和0.007K,并且该材料在反复升-降温过程中均能保持良好的灵敏度稳定性。用高温固相法制备了Ce3+、Mn2+共掺的双发射Na Mg BO3:Ce3+,Mn2+荧光粉。系统地研究了晶体结构、形貌、光致发光、能量传递机理以及与温度相关的传感特性。通过SEM测量了样品的形貌并进行了元素分析,确定了样品元素的分布均匀性。该荧光粉表现出了强烈的双宽带发射,475 nm的蓝光发射归因于Ce3+的d-f跃迁,而710nm的红外发射则归属于Mn2+的4T1g（G）-6A1g（S）跃迁。通过对比Mn2+的激发光谱与Ce3+的发射光谱、Ce3+和不同浓度Mn2+共掺时的发射光谱的变化以及Ce3+在不同Mn2+掺杂浓度下的荧光寿命,可以确定在Na Mg BO3:Ce3+,Mn2+荧光粉中存在着Ce3+-Mn2+的共振型能量传递。当Ce3+-Mn2+离子共掺时,Ce3+-Mn2+离子之间通过交换相互作用产生能量传递,计算出浓度猝灭的临界距离为Rc=13.09?,且当Mn2+离子的掺杂浓度为6%时荧光粉发光强度最高。采用荧光强度比技术来分析在298K-473K温度范围内样品的发光,进行拟合,得到Na Mg BO3:0.01Ce3+,0.06Mn2+荧光粉作为荧光测温材料在473K时的最佳灵敏度与分辨率分别为0.69%K-1和0.01K。Na Mg BO3:0.01Ce3+,0.06Mn2+荧光粉在八次升-降温过程表现了良好的灵敏度稳定性。基于以上性能所制备的Na Mg BO3:0.01Ce3+,0.06Mn2+荧光粉为集成光电子器件测温、创口愈合和光学温度传感等方面都做出了探索,为同类型荧光测温材料的开发提供了指导。
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