基于975 nm激发上转换发光的Er3+ 掺杂LaInO3 光学温度传感研究

研究人员针对高精度非接触式温度测量需求，通过Pechini溶胶-凝胶法合成Er3+ 掺杂LaInO3 材料，利用975 nm激发获得527/542 nm热耦合能级的上转换发光，采用荧光强度比(FIR)技术实现297-417 K范围测温，最高相对灵敏度达1.05% K-1 ，为生物医学和工业检测提供新型光学温度传感器。

　　

温度作为科学研究和工业生产中的核心参数，其精确测量始终是材料科学领域的重点攻关方向。传统接触式测温在微纳尺度、生物活体等特殊场景中存在明显局限，而基于稀土离子热耦合能级(TCL)的光学温度传感技术，凭借其非接触、高空间分辨率的优势成为研究热点。其中，Er³⁺
离子的²
H_11/2
→⁴
S_3/2
能级对（能隙约800 cm^-1
）因其理想的热耦合特性备受关注，但现有荧光材料普遍存在基质声子能量高、稳定性差等问题。

针对这一技术瓶颈，智利国家研究发展局(ANID)支持的Mauricio A. Vega-Pallauta团队创新性地选择正交钙钛矿结构的LaInO₃
作为基质，通过Pechini溶胶-凝胶法成功制备了Er³⁺
掺杂浓度为0.5-7%的系列样品。该研究系统考察了材料在975 nm激发下的上转换发光特性，发现527 nm（²
H_11/2
→⁴
I_15/2
）、542 nm（⁴
S_3/2
→⁴
I_15/2
）和675 nm（⁴
F_9/2
→⁴
I_{15/sub>）三组特征发射峰，证实其双光子吸收与能量转移机制。相关成果发表在《Journal of Luminescence》，为开发高性能光学温度传感器提供了新思路。}

关键技术方法包括：1）Pechini溶胶-凝胶合成LaInO₃
:Er³⁺
系列样品；2）X射线衍射(XRD)验证正交晶系Pnma空间群结构；3）荧光光谱分析975 nm激发下的上转换发射特性；4）荧光强度比(FIR)技术定量分析297-417 K温区内527/542 nm发射强度比变化。

【结构表征】
XRD显示所有样品均保持LaInO₃
主体结构，仅7%掺杂样品出现微量In₂
O₃
杂质。随着Er³⁺
掺杂量增加，衍射峰向高角度偏移（La³⁺
(1.03 ?)被Er³⁺
(0.89 ?)取代导致晶格收缩），证实Er³⁺
成功进入晶格。

【光学性能】
在975 nm激发下观察到典型的上转换发光：527 nm（²
H_11/2
→⁴
I_15/2
）、542 nm（⁴
S_3/2
→⁴
I_15/2
）双峰来自双光子吸收过程，675 nm发射（⁴
F_9/2
→⁴
I_15/2
）则源于能量转移。发射强度随Er³⁺
浓度增加先升后降，3%掺杂样品达到最佳发光效率。

【温度传感特性】
通过Boltzmann分布分析527/542 nm发射强度比(FIR)，获得绝对灵敏度6.18×10^-3
% K^-1
（417 K）和创纪录的相对灵敏度1.05% K^-1
（297 K）。超低测温不确定度（0.07 K@297 K）源于材料的高信噪比特性，性能优于多数同类氧化物基质传感器。

该研究证实LaInO₃
:Er³⁺
作为光学温度传感器的三大优势：1）正交钙钛矿结构提供稳定的晶体场环境；2）适中声子能量（<800 cm^-1
）有效抑制非辐射跃迁；3）热耦合能级理想能隙保证测温灵敏度。特别值得注意的是，材料在生理温度范围（297 K附近）展现的优异性能，为活体温度监测提供了新可能。研究者建议后续可优化形貌控制（当前样品为无定形微球团聚体）以进一步提升空间分辨率，这项工作为开发新一代非接触式温度传感器奠定了重要基础。