近日，在莊松林院士指導(dǎo)下，我校光電學(xué)院張大偉教授領(lǐng)導(dǎo)的超精密光學(xué)制造團隊成員、特聘教授禹德朝在國際光學(xué)頂級期刊《光：科學(xué)與應(yīng)用》（Light: Science & Applications）（影響因子17.782）上發(fā)表了題為“一個離子捕獲所有特性：基于Gd3+的高精度寬溫區(qū)間玻爾茲曼型溫度測量”（“One ion to catch them all: Targeted high-precision Boltzmann thermometry over a wide temperature range with Gd3+” [2021, 10: 236]）的研究成果，該研究實現(xiàn)了30到800K極寬溫度變化范圍內(nèi)的精確測量。

圖為Gd3+6PJ多級熒光玻爾茲曼溫度測量特性及其寬溫區(qū)間的最佳性能評估

當(dāng)代納米醫(yī)療、光電子器件的小型化和高度集成化、精細(xì)化工等發(fā)展要求下，極寬溫度、高度敏感、穩(wěn)定、可重復(fù)性非接觸無損微納米尺寸范疇的溫度測量是一個亟待研究的課題，有著極其重大的應(yīng)用價值。基于鑭系離子4f n能級發(fā)光比率測溫技術(shù)是一種新興的非接觸無損測溫技術(shù)，具有高的時空分辨率，其設(shè)計及應(yīng)用通常是基于玻爾茲曼定律所控制的具有一定能帶隙的兩個能級間的熱耦合，如經(jīng)典的Er3+離子2H11/2-4S3/2能級間隔約為750-800cm-1。事實上，較低的環(huán)境溫度使兩個激發(fā)態(tài)能級間的熱平衡難以實現(xiàn)，較高的溫度雖有利于兩個激發(fā)態(tài)的熱平衡，但只能獲得較低的相對測溫靈敏度。基于雙激發(fā)態(tài)能級相關(guān)的玻爾茲曼型溫度計只可在一個有限的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)較精確的溫度測量（取決于能級間隔寬度大?。?/p>

三激發(fā)能級玻爾茲曼型熒光溫度測量模型和Pr3+ → Gd3+紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光示意圖

“超精密光學(xué)制造團隊”張大偉教授、禹德朝教授聯(lián)合荷蘭烏得勒支大學(xué)、德國杜塞爾多夫大學(xué)、華南理工大學(xué)和聊城大學(xué)，將玻爾茲曼測溫的概念與技術(shù)原理擴展到兩個以上的激發(fā)態(tài)，建立和完善三能級玻爾茲曼測溫模型與理論，并提供定量指南，將多個激發(fā)態(tài)之間的能隙選擇與不同溫度區(qū)間內(nèi)的激發(fā)態(tài)能級熱耦合聯(lián)系起來。通過這種方法，可以基于同一系統(tǒng)，實現(xiàn)了極寬溫度范圍內(nèi)高靈敏度和高精度的非接觸溫度測量。

科研人員用燃燒法合成了YAl3(BO3)4: Pr3+, Gd3+發(fā)光粉，其在450 nm藍(lán)光激發(fā)Pr3+作用下，高效上轉(zhuǎn)換發(fā)射紫外光（~290-320 nm）。這些紫外光來自于Gd3+激活離子6PJ激發(fā)態(tài)能級到基態(tài)8S7/2能級的輻射躍遷?？蒲腥藛T創(chuàng)造性地基于Gd3+ 6PJ能級的晶體場分裂能級和自旋軌道分裂能級來構(gòu)建三激發(fā)能級玻爾茲曼模型，實驗例證了上述三能級玻爾茲曼溫度響應(yīng)模型，實現(xiàn)了30到800K極寬溫度變化范圍內(nèi)的精確測量：在30K時，其相對靈敏度高達11.6% K-1，遠(yuǎn)高于常規(guī)的1%K-1閾值要求；同時在所有溫區(qū)窗口，都可實現(xiàn)不確定性小于0.2%的高精度溫度測量。需特別指出的是，這種藍(lán)光紫外上轉(zhuǎn)換熒光粉材料很容易被價格低廉且功率強大的450nm藍(lán)色LED激發(fā)；其激發(fā)和發(fā)射波段可有效避免最高溫度下黑體輻射影響，實現(xiàn)了零背景發(fā)光測溫，在納米醫(yī)療、新型光電子器件等領(lǐng)域具有極大的實際應(yīng)用價值。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41377-021-00677-5

供稿：光電學(xué)院