一种多功能荧光材料CaLaAl?O?（含有Eu2?和Eu3?离子），能够实现高灵敏度的温度测量以及宽色域的“温度映射”功能

《Journal of Alloys and Compounds》：A Multifunctional Phosphor CaLaAl 3O 7: Eu2+, Eu3+ Capable of Achieving High Sensitivity Thermometry and Wide Color Gamut ‘Temperature Mapping’

双波段Eu2+/Eu3+共掺杂钙铝镧氧磷光体制备成功，在还原气氛中固相反应合成。蓝光（443nm）随温度升高强度锐减，红光（616nm）衰减轻微，实现2.59% K?1最高测温灵敏度。材料兼具长余辉（180秒）和温度诱导多色发光特性，适用于温度分布可视化及加密防伪。

　　本研究成功合成了具有双波段发射特性的多功能磷光材料，其结构为硅灰石型（melilite-structured），化学式为CaLaAl?O?:Eu2?, Eu3?。通过在还原气氛下采用固态反应法进行合成，该磷光材料展现出对温度变化高度敏感的发光特性。在相同的温度条件下，蓝光发射（Eu2?，波长为443 nm）表现出显著的强度下降，而红光发射（Eu3?，波长为616 nm）则仅略有减弱。这种独特的温度依赖性发光行为使得该材料在高灵敏度荧光测温领域具有广阔的应用前景，其在303 K时的最大相对温敏度（S_r）达到了2.59% K?1。此外，通过利用温度变化引发的显著发光颜色变化，研究人员实现了对物体表面温度分布的宽色域可视化。在365 nm紫外光激发下，该磷光材料表现出长达180秒的持续蓝光发射，这是由于材料中存在缺陷能级所致。结合多波长选择性激发、长余辉、宽色域发射以及高灵敏度温度响应，CaLaAl?O?:Eu2?, Eu3?展现出在视觉温度检测和信息加密/防伪方面的应用潜力。

磷光材料的发光颜色可以通过成分调控、结构设计或激活剂掺杂等方式进行精确调整，从而实现多波段发射，提升其在多种应用场景中的价值，如照明、测温、显示和防伪技术等。与单一颜色发射材料相比，多色发光材料不仅能够提供更多的视觉信息，还能同时具备温度感应和信息安全性等附加功能。目前，实现多色发射的主要方法是将多种发光中心掺杂到磷光基质中。这类材料通常包含大量的晶格缺陷，这些缺陷有助于通过不同的能量传递路径实现协同发光。这种独特的结构赋予了多色磷光材料对外部刺激（如机械应力、热能或激发波长）的高度敏感性。其中，具有温度响应特性的多色发光材料，其发光颜色或强度随温度变化而可逆地改变，是多色发光材料的一个重要子类。这类材料在传感器、显示技术和温度测量等领域有着广泛的应用，能够通过颜色变化实现精确的温度检测。

此外，持续发光（余辉）现象在激发停止后仍然存在，其衰减动力学受波长依赖性影响，这主要归因于陷阱态工程。含有多个陷阱能级的磷光材料可以通过选择性激发波长进行精确控制。例如，Zhang等人通过将Eu3?和Tb3?掺杂到LiGa?O?基质中，设计了一种具有动态多色余辉特性的材料。当激发源关闭后，该材料表现出从蓝色到红色或绿色的动态余辉。同样，Zhang等人还通过在Ca?Al?Ge?O??基质中共掺Mn2?和Cr3?离子，开发了一种可调节颜色的余辉材料。在254 nm紫外光激发后停止，该材料能够产生明亮的绿色长余辉。这些具有多波段发射特性的材料在高安全防伪系统、动态显示技术和信息加密等领域具有重要的应用价值。

然而，目前仍面临一个挑战，即在单一化合物中同时实现温度依赖性发光和余辉发光的多色磷光材料。这要求材料设计和合成过程中具备一定的复杂性。要实现这种协同功能，基质材料需要满足三个关键条件：（1）适当的电荷载流子陷阱密度；（2）多个晶体学位点以容纳不同的发光中心；（3）优化的晶体场环境，以促进高效的辐射跃迁并保持每个发光中心对温度变化的独立响应。这些严格的要求显著限制了可选用的基质材料范围。此外，温度对余辉性能的影响是多方面的。升高温度会增强热振动，从而促进陷阱中电子的热释放，导致余辉持续时间缩短。同时，温度变化还可能引起能级结构的改变，进而导致余辉颜色的偏移（无论是红移还是蓝移）。这些现象表明，深入研究温度响应行为与余辉特性之间的复杂相互作用，对于开发高性能的磷光材料至关重要。

本研究中合成的CaLaAl?O?:0.03(Eu2?, Eu3?)磷光材料在多色发光和余辉特性方面表现优异。通过高温度固相反应法，在还原气氛下成功制备了该材料。X射线衍射分析结合Rietveld精修结果表明，所合成的样品具有纯相结构，其空间群为P421m。X射线光电子能谱（XPS）进一步验证了Eu2?和Eu3?分别占据Ca2?和La3?晶格位点的分布情况。光致发光分析显示，在332 nm激发下，该材料能够实现双波段发射：Eu2?相关的蓝光发射（443 nm，4f?5d1→4f?跃迁）和Eu3?相关的红光发射（616 nm）。这种双波段发射特性使得材料在温度检测和可视化应用中具有独特的优势。通过精确调控材料的结构和成分，研究人员不仅实现了对温度变化的高度敏感响应，还成功地将材料应用于表面温度分布的宽色域可视化。这为开发新型的温度感应和信息加密技术提供了重要的基础。

本研究的成果不仅在材料科学领域具有重要意义，同时也为相关技术应用提供了新的思路。在当前快速发展的科技背景下，磷光材料因其独特的光学性质而受到广泛关注。它们不仅能够用于传统的照明和显示领域，还在温度传感、安全防伪和信息加密等新兴技术中展现出巨大的潜力。特别是随着对材料多功能性和高性能需求的不断提升，开发能够同时具备多种功能的磷光材料成为研究的热点。CaLaAl?O?:Eu2?, Eu3?的合成和性能研究为这一领域提供了重要的参考，其双波段发射、温度依赖性发光以及长余辉特性表明，该材料在实际应用中具有广阔的发展前景。

在材料制备方面，本研究采用了高温度固相反应法。按照标准摩尔质量比，将CaCO?（99.99%）、La?O?（99.99%）、Al?O?（99.99%）和Eu?O?（99.9%）等原料精确称量，并将粉末样品放入装有乙醇的石英研钵中，进行半小时的充分研磨。随后将研磨后的样品转移至氧化铝坩埚中，并将其置于特定的高温环境中进行反应。通过这一过程，研究人员成功地获得了具有优异发光性能的CaLaAl?O?:Eu2?, Eu3?磷光材料。材料的制备方法不仅保证了其结构的稳定性，还有效控制了Eu2?和Eu3?的掺杂比例，从而实现了双波段发射和温度响应的协同效应。

在材料的结构和组成分析方面，研究人员成功合成了三种类型的磷光材料：CaLaAl?O?、CaLaAl?O?:0.03Eu3?和CaLaAl?O?:0.03(Eu2?, Eu3?)。通过X射线衍射分析，研究人员发现所合成的样品的衍射峰与标准卡片（PDF No. 38-1251）完全一致，这表明该材料具有纯相结构。此外，对CaLaAl?O?:0.03(Eu2?, Eu3?)晶体结构的Rietveld精修结果进一步验证了其结构的均匀性和稳定性。这些分析结果为材料的性能研究提供了坚实的结构基础，同时也表明其在实际应用中具有较高的可靠性。

在性能测试方面，研究人员对CaLaAl?O?:Eu2?, Eu3?磷光材料的发光特性进行了详细分析。通过光致发光光谱（PL）测量，研究人员发现该材料在332 nm激发下能够产生两个明显的发光峰：一个位于443 nm的蓝光发射峰和一个位于616 nm的红光发射峰。其中，蓝光发射来源于Eu2?的4f?5d1→4f?跃迁，而红光发射则源于Eu3?的4f?→4f?5d1跃迁。这种双波段发射特性使得材料能够同时响应不同的外部刺激，并且在温度变化时表现出显著的发光行为差异。进一步的热致发光（TL）曲线分析揭示了材料中陷阱态的分布情况，这为理解其长余辉现象提供了关键依据。

此外，研究人员还对材料的温度响应特性进行了深入研究。通过测量不同温度下的发光强度变化，研究人员发现蓝光发射强度随温度升高而迅速下降，而红光发射强度则仅略有减弱。这种显著的温度依赖性使得材料在高灵敏度荧光测温领域具有重要应用价值。在303 K时，材料的相对温敏度（S_r）达到了2.59% K?1，这一数值远高于传统磷光材料的温敏度。这表明该材料能够对微小的温度变化做出快速而灵敏的响应，为实现精确的温度检测提供了新的技术手段。

在实际应用方面，研究人员评估了该材料在视觉温度分布映射和多级加密/防伪方面的潜力。通过利用材料的双波段发射和温度依赖性发光特性，研究人员能够实现对物体表面温度分布的宽色域可视化。这种可视化技术不仅可以用于工业和医疗领域的温度监测，还可以应用于环境监控、材料科学和生物医学等领域的温度感知。同时，材料的长余辉特性和多波段发射特性也使其在信息加密和防伪技术中具有重要价值。通过调节激发波长和材料的掺杂比例，研究人员可以实现对发光颜色和强度的精确控制，从而开发出具有多重安全功能的防伪系统。

在本研究中，CaLaAl?O?:Eu2?, Eu3?磷光材料的制备和性能研究为开发多功能磷光材料提供了重要的参考。通过精确调控材料的结构和成分，研究人员成功实现了对温度变化的高度敏感响应，并且在激发停止后仍能保持较长的余辉时间。这种材料的多功能性不仅拓展了磷光材料的应用范围，也为相关技术的发展提供了新的思路。未来，随着对材料性能要求的不断提高，进一步优化该材料的结构和组成，以提升其在不同环境下的稳定性和灵敏度，将是研究的重要方向。

总之，本研究通过高温度固相反应法合成了具有双波段发射和温度依赖性发光特性的CaLaAl?O?:Eu2?, Eu3?磷光材料。该材料在303 K时表现出高达2.59% K?1的相对温敏度，同时在365 nm紫外光激发下能够实现长达180秒的持续蓝光发射。这些特性使得该材料在视觉温度检测和信息加密/防伪领域具有重要的应用潜力。通过X射线衍射和XPS等分析手段，研究人员确认了材料的纯相结构和Eu2?、Eu3?的掺杂情况，进一步揭示了其发光机制和温度响应行为。本研究不仅为开发新型多功能磷光材料提供了重要的实验依据，也为相关技术的实际应用奠定了坚实的基础。