Er3+/Yb3+共激活的YNbO4纳米晶体荧光体：在980 nm激发下的上转换发光及综合寿命测温技术

《Optical Materials》：Er3+/Yb3+ co-activated YNbO 4 nanocrystalline phosphors: Up-conversion luminescence under the 980 nm excitation and integrated lifetime thermometry

YNbO4掺杂Er3?和Yb3?材料的光学特性及温度敏感性研究，通过机械固相法制备，X射线衍射确认单斜晶系结构，粒径1-3微米，980 nm激发下实现可见-近红外上转换发光，Er3?寿命0.238 ms，300-600 K温度范围内相对灵敏度0.23%-0.085% K?1。

　　

塔玛拉·B·伊维蒂奇（Tamara B. Iveti?）、鲍里斯·班亚奇（Boris Banjac）、柳比卡·达查宁·法尔（Ljubica ?a?anin Far）、德拉加娜·什特拉巴茨（Dragana ?trbac）、佐兰·里斯蒂奇（Zoran Risti?）

塞尔维亚诺维萨德大学（University of Novi Sad），理学院物理系，地址：Trg Dositeja Obradovi?a 3，邮编21000

摘要

本文介绍了掺杂了铒（1%）和镱（2%）的氧化铌钇（YNbO₄）的结构、形态以及光致发光和光致热释光特性，探讨其作为潜在温度传感材料的潜力。通过X射线衍射分析证实，所得到的YNbO₄粉末样品具有类似β-fergusonite的单斜晶结构，颗粒尺寸约为1至3微米。在980纳米的激发光下，样品在可见光（Vis）和近红外（NIR）区域表现出光致发光现象，这是由于能量上转换（UC）过程所致。在300 K时测得最强烈的Er³⁺激发态⁴S_3/2能级的寿命为0.238毫秒。首次采用光致发光衰减方法对YNbO₄的热学性能进行了测量和分析，发现其相对灵敏度在300至600 K的温度范围内从0.23%下降到0.085% K^-1，表明该材料在基于寿命的荧光温度测量方面具有良好潜力。

引言

寻找具有高能量上转换效率和温度灵敏度的新型荧光材料是一个持续关注的课题，因为这些材料在UC激光器、传感器、太阳能电池和显示器等领域具有广泛的应用前景[1],[2],[3]。UC发光是一种独特的能量转换过程，通过多次光子吸收或能量传递，由稀土（RE）离子（如Er³⁺、Ho³⁺、Tm³⁺）激活宿主材料（荧光体）来实现低能量向高能量的转换[2]。YNbO₄属于自激活荧光体类别，其中含有四面体金属氧化物基团，已在制造各种显示器（尤其是X射线增强显示器）的技术中得到成功应用[4],[5],[6]。YNbO₄中的铌酸盐基团[NbO₄]^3-在X射线和紫外光激发下可产生约410纳米的蓝光[7],[8]。研究表明，当温度超过1000 °C时，YNbO₄的光学带隙从3.6 eV增加到4.3 eV[9]。用Eu³⁺、Sm³⁺、Dy³⁺等镧系离子替代YNbO₄中的Y³⁺会导致常规荧光过程（下转换，DC）下的蓝光和红光发射。然而，YNbO₄的声子频率（约660 cm^-1）低于其他类似荧光体，使其成为适合用于能量上转换的宿主材料[10]。稀土离子Eu³⁺、Tb³⁺、Dy³⁺和Tm³⁺显著增强了YNbO₄的DC发光性能，并在多项研究中得到了广泛研究[11],[12],[13],[14],[15],[16]。此外，将Bi³⁺引入YNbO₄基质后，由于Bi³⁺的6s电子跃迁到Nb⁵⁺的d轨道，导致发光光谱向红侧移动[17]。然而，最近才开始关注掺杂Er³⁺、Yb³⁺和Tm³⁺等三价稀土离子的YNbO₄的UC性能[1],[18],[19],[20]。YNbO₄通常通过固相反应合成，包括混合和煅烧方法[21],[22]，也可通过柠檬酸凝胶燃烧[10]、水热[7]、溶胶-凝胶[9]和熔盐[23]方法制备。

本研究采用机械激活固相法制备了掺杂了1% Er³⁺和2% Yb³⁺的YNbO₄荧光体，并测量了其UC发光特性，同时首次实现了温度依赖性的综合发光衰减分析[24],[25]，确定了300–600 K温度范围内的绝对和相对温度灵敏度。

样品制备

在机械激活固相合成YNbO₄的过程中，使用了氧化钇（Y₂O₃，纯度99.99%（Sigma-Aldrich）和氧化铌（Nb₂O₅，纯度99.9%（Alfa-Aesar）作为起始原料；稀土离子Er³⁺（纯度≥99.99%，Sigma-Aldrich）和Yb³⁺（纯度99.99%，Alfa-Aesar）作为掺杂前驱体。未掺杂的参考样品称为YNO，掺杂稀土的样品称为YNO:EY。

结构与形态

YNbO₄采用单斜β-fergusonite晶体结构，空间群对称性为C2/c（编号15，Z = 4）[6]。YNO和YNO:EY样品的衍射图谱与YNbO₄的参考卡片（JCPDS编号23-1486）[11]相匹配，表明合成样品具有较好的结晶性。系统中的主要相为单斜氧化铌钇（YNbO₄）相，同时存在少量的Na₂SO₄×10H₂O相。

结论

本研究通过机械激活固相法制备了掺杂稀土离子（Er³⁺和Yb³⁺的YNbO₄荧光体，X射线分析证实了所得粉末的高结晶性，其成分与单斜结构的YNbO₄晶体相一致，晶粒尺寸约为30纳米。扫描电子显微镜观察显示粉末的微观结构均匀，形状和大小一致。

作者贡献声明

柳比卡·达查宁·法尔（Ljubica ?a?anin Far）：负责撰写、审稿与编辑、验证、方法论设计及概念构思。德拉加娜·什特拉巴茨（Dragana ?trbac）：负责撰写、审稿与编辑、数据整理与分析。佐兰·里斯蒂奇（Zoran Risti?）：负责撰写、审稿与编辑、验证、方法论设计、实验研究、数据分析及概念构思。塔玛拉·伊维蒂奇（Tamara Ivetic）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、结果验证、项目管理和方法论设计。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了APV省高等教育与科学研究秘书处（项目名称：“开发用于监测沃伊沃迪纳地区气体污染和湿度的新高灵敏度传感器”，合同编号003075795 2024 09418 003 000 000 001/2，以及“新型硫属化合物材料用于高效能量转换与利用”，合同编号003076409 2024 09418 003 000 000001/2）的资助。作者同时感谢科学部的财政支持。