基于掺Ce3+共晶结构的闪烁发光、光致发光、比率测量及视觉发光热测量技术

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Scintillating and Photoluminescent Ratiometric and Visual Luminescence Thermometry Based on the Ce3+-Doped Eutectic Structures

高效热辐射材料与温度传感技术研究。采用定向凝固法调控Ce3+掺杂的YAG-YAP共晶微结构，通过调节生长速率（0.1-0.9 mm/min）实现层状结构尺寸和成分分布的精准控制。研究发现，高生长速率下（0.9 mm/min）形成亚微米级均匀层状结构，蓝光散射增强达3倍，使相关色温（CCT）从7794 K（0.1 mm/min）调至4348 K，光效达142 lm/W。材料同时具备双模态热辐射特性：光致发光激发下温度灵敏度0.47% K?1（103-400 K），X射线致发光激发下灵敏度提升至1.1% K?1（325-410 K），且无热淬灭现象。

　　在当今材料科学领域，随着对多功能材料需求的增加，研究者们不断探索能够同时满足多种功能要求的新型材料。本文介绍了一种基于Ce3?掺杂的YAG-YAP共晶结构的新型双相材料，这种材料不仅具备优异的光电转换能力，还能够实现热敏传感。通过调控结晶速率，研究人员成功地调整了材料的微观结构和掺杂分布，从而实现了对光谱特性和热响应的精确控制。

YAG（Yttrium Aluminum Garnet，钇铝石榴石）和YAP（Yttrium Aluminum Perovskite，钇铝钙钛矿）是两种在高温氧化物系统中常见的相结构。YAG具有立方晶系，而YAP则为正交晶系，这两种相的组合在共晶条件下能够形成独特的微结构。这种微结构由交替的YAG和YAP区域构成，通过调整结晶速率，可以实现对相域尺寸的系统性控制。较低的结晶速率导致较大的相域，使得YAP对蓝光的透射率较高，而较高的结晶速率则促进更精细的结构形成，从而增强蓝光的散射和吸收。这种结构上的调控为材料的光谱特性和热响应提供了更大的灵活性。

Ce3?掺杂的YAG-YAP共晶材料在光电转换和热敏传感方面表现出色。Ce3?在YAG和YAP中的光致发光特性存在显著差异，YAG中的Ce3?发射波长约为520 nm，而YAP中的发射波长则在370 nm左右。这种发射波长的差异使得材料能够在可见光范围内实现宽光谱的光致发光，同时通过光谱比值分析，能够构建一种高效的比值发光温度传感器。在不同的激发条件下，Ce3?的发光特性也表现出不同的温度敏感性。在光致发光（PL）激发下，材料的相对灵敏度为0.47% K?1，而在X射线诱导的闪烁激发下，灵敏度可以达到1.1% K?1。这种显著的灵敏度差异表明，不同的激发方式对热响应有着不同的影响。

除了光致发光，这种共晶材料还展现出闪烁发光的特性。闪烁发光通常由高能光子或粒子引起，这些高能粒子在材料的价带和导带中产生电子-空穴对，随后这些电荷载流子在晶格中迁移，并最终被Ce3?离子捕获，从而引发发光。在X射线激发下，Ce3?离子的发光强度随着温度的升高而增强，这主要是由于热激活的能量转移过程。在较高的温度下，电荷载流子更容易从陷阱中释放，并与Ce3?离子发生相互作用，从而增强发光强度。这种特性使得Ce3?掺杂的YAG-YAP共晶材料在不需要外部光学激发的情况下，能够实现被动、远程的温度监测，这对需要在极端环境中工作的应用具有重要意义。

为了进一步验证材料的性能，研究人员使用了多种分析手段，包括粉末X射线衍射（PXRD）、扫描电子显微镜（SEM）结合能谱分析（EDS）以及电子探针微区分析（EPMA）。这些分析方法不仅确认了YAG和YAP的共存，还揭示了Ce3?在不同相中的分布情况。通过调节结晶速率，Ce3?的分布呈现出显著的变化，低速结晶导致Ce3?在YAG相中的富集，而高速结晶则使得Ce3?在两种相中的分布更加均匀。这种分布的差异直接影响了材料的光致发光和闪烁发光性能。

材料的光致发光特性也受到其微观结构的显著影响。在较低的结晶速率下，由于YAP相的较大尺寸，蓝光能够较为有效地通过材料，从而导致较低的光致发光效率。然而，当结晶速率提高时，YAG和YAP相的尺寸趋于一致，导致蓝光在材料内部发生更多的散射和吸收，从而提高了光致发光效率。这种结构上的调控使得材料能够在不同温度下实现从冷白光到暖白光的发射颜色调节，从而拓展了其在固态照明领域的应用潜力。

在温度敏感性方面，Ce3?掺杂的YAG-YAP共晶材料表现出良好的稳定性。在PL激发下，材料的发光强度在83 K至483 K的温度范围内没有明显淬灭，显示出优异的热稳定性。这一特性归因于YAG和YAP相的均匀分布以及它们良好的热导率，这有助于材料在高温下保持均匀的热行为。在X射线激发下，材料的发光强度同样表现出良好的温度依赖性，尤其是在325 K至410 K的温度范围内，材料的发光强度和比值发光强度均有所增强，显示出更高的灵敏度。这种温度敏感性的增强归因于电荷载流子的热激活转移过程，使得材料在不同温度下能够更有效地响应环境变化。

此外，材料的微观结构和掺杂分布还影响了其光致发光衰减特性。在PL激发下，材料的发光衰减曲线可以很好地用单指数函数拟合，表明主要的发光机制是辐射复合。在不同温度下，发光衰减时间的变化较小，显示出材料在不同温度条件下的稳定性。而在X射线激发下，材料的发光衰减时间则随着温度的升高而延长，这进一步支持了材料在高温下良好的发光性能。

为了进一步验证材料的性能，研究人员还进行了长期的热老化实验。实验结果表明，材料在持续的光激发和高温条件下能够保持较高的发光强度，显示出良好的光热稳定性。这种稳定性不仅来源于材料的均匀分布，还与其结构的均匀性和热导率有关。材料的这种特性使其在需要长时间稳定运行的环境中表现出色，例如在核反应堆、航空航天系统以及高能粒子探测器等应用中。

总之，Ce3?掺杂的YAG-YAP共晶材料因其独特的微观结构和优异的光电性能，展现出广阔的应用前景。通过调控结晶速率，可以实现对材料的光谱特性和热响应的精确控制，使其在固态照明和热敏传感领域具有重要的价值。此外，材料在不同激发方式下的热敏感性差异也为其在极端环境下的应用提供了更多可能性。这些研究成果不仅加深了对共晶材料结构与性能关系的理解，也为开发下一代高性能的发光热敏材料提供了重要的理论和实践基础。