混合卤化亚铜实现高灵敏度发光寿命测温技术并具备卓越耐水性

本刊推荐：为解决传统光学测温技术中灵敏度与耐水性难以兼顾的难题，研究人员开展了基于TPP3Cu2Br2杂化卤化亚铜的发光寿命测温研究。该材料通过疏水性有机分子与[Cu2Br2]二聚体的协同作用，实现了12.82% K-1的超高温度灵敏度及97.3%的浸水稳定性，为生物组织和水下环境等潮湿场景的温度传感提供了突破性解决方案。

　　

在温度传感领域，光学测温技术因其非接触、高精度等优势被广泛应用于工业监测和生物医学等领域。然而，传统基于光致发光（Photoluminescence, PL）强度的测温方法易受光源波动、样品浓度变化等外部因素干扰，而发光寿命（Lifetime）测温技术通过测量激子态持续时间，能从根本上规避这些局限。当前该技术主要依赖稀土离子（Ln³⁺）或ns²离子（如Te⁴⁺、Bi³⁺）掺杂材料，但前者因4f-4f跃迁受外层电子屏蔽导致温度响应范围窄，后者虽灵敏度高但寿命极短（纳秒级），需昂贵超快检测系统支撑。有机-无机杂化金属卤化物（Organic-Inorganic Hybrid Metal Halides, OIMHs）因其晶格对温度敏感的特性，可实现微秒至毫秒级的长寿命发光，却长期受困于水稳定性差的瓶颈。

针对这一难题，南开大学徐佳良课题组在《Light: Science & Applications》发表研究，提出一种零维杂化卤化亚铜材料TPP₃Cu₂Br₂（TPP为三苯基膦），成功协调了高灵敏度与耐水性之间的矛盾。该材料通过疏水性TPP分子包裹亲水性[Cu₂Br₂]二聚体，形成分子级防水屏障，同时利用有机组分热运动诱导晶格巨幅膨胀（300-380 K体积变化达3.6%），进而调控自陷态激子（Self-Trapped Excitons, STEs）的辐射复合速率，实现发光寿命的显著温度依赖。

研究通过晶体结构设计、变温光谱分析和浸水稳定性测试等关键技术方法，系统评估了材料的性能。其中水下温度传感实验采用355 nm激发光激发水环境中TPP₃Cu₂Br₂产生524 nm绿光，通过寿命监测反演温度。

温度依赖的发光寿命特性

研究发现，TPP₃Cu₂Br₂的STE发光寿命随温度升高从280 K时的51.2 μs急剧下降至380 K时的0.97 μs，仅保留初始值的1.9%。该变化对应最大相对灵敏度（S_r）达12.82% K^-1，创下未掺杂金属卤化物灵敏度纪录。巨幅寿命变化源于TPP分子热运动引发的晶格畸变，其热膨胀系数远超常规金属卤化物（<0.5%）。

卓越的耐水性能

浸水实验表明，材料在浸泡15天后仍保持97.3%的发光强度。疏水性TPP分子通过空间位阻和刚性构象阻隔水分子接触[Cu₂Br₂]二聚体，且Cu-P共价键抵抗了水致电离，共同保障结构稳定性。

水下温度传感应用验证

在实际水下传感中，基于寿命的测温方法在10 mm深度仅产生1.09°C误差，显著优于受散射和吸收干扰的强度法。这证实了寿命传感技术在复杂环境中的可靠性。

该研究通过分子工程策略成功破解了金属卤化物测温材料灵敏度与稳定性的权衡难题，为生物组织微区测温、水下工业监测等潮湿环境应用开辟了新途径。未来通过调控有机组分结构，有望进一步优化材料性能，推动高鲁棒性、微型化温度传感器的发展。