基于Er3+ 离子斯塔克子能级的热增强上转换发光与高灵敏度光学测温研究

针对高温环境下非侵入式高灵敏度测温需求，研究人员通过Er3+ /Yb3+ 共掺杂CaGdGaO4 (CGGO)荧光粉，实现了热增强上转换发光(UCL)与斯塔克子能级温度传感。该材料在303-573 K范围内灵敏度达1.55% K?1 ，分辨率0.28 K，为光学测温提供了新策略。

　　

在高温工业检测、生物医学等领域，传统接触式测温技术面临严峻挑战。当测量对象处于极端环境、高速运动或微观尺度时，物理接触不仅可能干扰被测系统，甚至根本无法实现。光学非接触温度传感技术因其远程操作、高灵敏度等优势成为研究热点，其中基于稀土离子的上转换发光(UCL)材料尤为引人注目。然而，现有UCL材料普遍存在"热淬灭"现象——温度升高时发光强度反而降低，这严重制约了其在高温环境下的可靠性。更棘手的是，传统热耦合能级(TCELs)的测温灵敏度已接近理论极限。如何突破这些瓶颈？来自辽宁某高校的研究团队通过创新性地利用Er³⁺
离子的斯塔克(Stark)子能级，在CaGdGaO₄
(CGGO)基质中实现了热增强型发光与超高灵敏度测温，相关成果发表在《Optical Materials》上。

研究采用高温固相法合成系列CGGO:Er³⁺
/Yb³⁺
荧光粉，通过X射线衍射(XRD)和荧光光谱等技术表征材料特性。在980 nm和1550 nm激发下，系统研究了温度对UCL强度、发射颜色及斯塔克子能级跃迁的影响，并采用荧光强度比(FIR)技术评估温度传感性能。

Results and discussion部分揭示：CGGO的低对称性正交晶系结构（空间群Pnma）导致Er³⁺
离子产生显著的斯塔克能级分裂。通过调控Yb³⁺
浓度和激发波长（980→1550 nm），成功实现发光颜色从绿到红的可调谐性。特别值得注意的是，与传统热淬灭材料相反，该材料的UCL强度随温度升高增强3.8倍，这归因于晶格声子辅助的热增强效应。温度传感方面，基于²
H_11/2(1)
/⁴
S_3/2(2)
斯塔克子能级的FIR技术，在303 K时相对灵敏度达1.55% K^?1
，远超传统²
H_11/2
/⁴
S_3/2
能级（0.85% K^?1
）。材料还展现出99%的测量重复性和0.28 K的超高分辨率。

Conclusions部分强调：这项工作不仅首次在CGGO基质中实现热增强UCL，更创新性地利用斯塔克子能级突破TCELs的灵敏度极限。Jiaqi Zhao等研究者证明，通过精心设计基质对称性和稀土离子掺杂策略，可同步解决热淬灭和低灵敏度两大难题。这种"温度越高发光越强"的反常特性，使其在高温工业过程监控、体内深组织测温等领域展现出独特优势。研究为开发新一代光学温度传感器提供了重要理论依据和材料设计范式。