基于LaSr2Ga11O20:Er3+荧光粉的强绿色上下转换发光及三模态光学温度测量技术

《Materials Today Chemistry》：Intense green up/down conversion emission and three-mode optical thermometry based on LaSr 2Ga 11O 20: Er3+ phosphors

　　

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  在LaSr₂Ga₁₁O₂₀: Er³⁺材料中可得到强烈的绿色上转换/下转换发光。
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  通过上转换/下转换发光和荧光寿命两种方式实现了三模态光学温度测量。
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  最大相对灵敏度分别为1.33% K^?1（下转换模式）和1.40% K^?1（上转换模式）。
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  基于荧光寿命的温度测量方法其相对灵敏度为0.53% K^?1。
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  所有测量模式的重复性均超过98%，可实现可靠的温度检测。

引言

由于传统接触式温度计的热响应速度较慢且灵敏度有限，因此不适用于某些应用场景，比如高温高压、强酸强碱等恶劣环境中的精确温度检测[[1], [2], [3]]。而光学温度测量方法则具有响应速度快、无需接触样品以及灵敏度高等优点，因此非常适合用于高精度温度检测[4]。这类技术主要通过测量温度敏感的发光特性来实现，包括荧光强度比、荧光寿命以及发射带位移[5]。传统的光学温度测量通常仅依赖上转换或下转换发光过程产生的荧光强度比或荧光寿命信号[[6], [7], [8], [9]]。然而，当利用激发辐射来测量温度时，仅依靠单一的发光信号会导致测量结果容易受到环境因素的影响，比如背景吸收的变化、散射特性的改变，以及样品对紫外光或近红外光吸收程度的差异。在这些复杂环境下，单一信号往往无法提供稳定可靠的温度信息，从而影响测量精度[10]。为了解决这些问题，人们开发出了多模态温度测量技术，该技术同时利用多种参数——如在不同激发条件下的荧光强度比以及荧光寿命——来交叉验证测量结果，从而降低环境波动对温度测量精度的负面影响。所提出的方法通过结合紫外光和近红外光激发得到的荧光强度比数据以及荧光寿命测量结果，显著提升了复杂条件下的测量可靠性[11,12]。

在众多发光中心中，三价铒离子（Er³⁺）因其在光学温度测量中的优异表现而备受关注，例如在NaLaP₄O₁₂: Er³⁺、Sr₂ZnSi₂O₇: Er³⁺、MoO₃: Yb³⁺, Er³⁺以及Cs₃GdGe₃O₉: Yb³⁺, Er³⁺等基质中都展现了良好的应用前景[13]-[16]。铒离子之所以受到青睐，主要是因为它具有明确的能级结构——尤其是²H_11/2和⁴S_3/2能级——使得同一材料既能产生上转换发光，又能产生下转换发光。这种光学上的灵活性为构建多模态温度测量系统提供了可能，最常见的实现方式就是利用热耦合能级带来的荧光强度比测量技术[17]。因此，掺铒材料在极端环境或存在干扰的情况下，依然具有实现精确温度检测的巨大潜力。

在各种用于掺铒发光的基质材料中，镓酸盐因其出色的化学稳定性、较低的声子能量以及较高的发光亮度而备受重视[18,19]。此外，这类材料在紫外光和近红外光激发下都能高效发光，具备良好的宽谱激发特性，非常适合用于多模态光学温度测量。例如，BaLaGaO₄: Er³⁺材料能够在381?nm和980?nm激发条件下实现双模态温度检测[20]；还有用于光学温度检测和防伪的上转换荧光粉LaCaGaO₄: Er³⁺/Yb³⁺也被报道过[21]；Ca₃Ta₂Ga₃O₁₂: Er³⁺, Yb³⁺上转换荧光粉在多模态温度测量中的相对灵敏度可达1.77% K^?1[19]。这些研究结果都表明，镓酸盐在开发新型多模态发光温度传感器方面具有很大的应用潜力。最近，Shan等人通过向LaSr₂Ga₁₁O₂₀材料中掺入Cr³⁺离子，成功实现了基于荧光强度比的光学温度测量[22]。不过，目前仍缺乏针对这种基质中铒离子发光行为及其在自参考温度测量方面应用潜力的系统性研究。

本研究采用高温固相法合成了一系列LaSr₂Ga₁₁O₂₀（LSGO）: xEr³⁺（x = 0–0.11）荧光粉样品。并对这些样品的相纯度、晶体结构以及发光性能进行了系统分析，同时评估了它们在多模态光学温度测量中的应用前景。

章节要点

荧光粉的合成

LaSr₂Ga₁₁O₂₀: xEr³⁺（x = 0–0.11）荧光粉是通过传统的高温固相反应法制备的。所用原料为高纯度的La₂O₃（纯度99.99%）、SrCO₃（纯度99.99%）、Ga₂O₃（纯度99.99%）以及Er₂O₃（纯度99.99%），这些原料按照特定的化学计量比用分析天平准确称量后，被放入玛瑙研钵中充分研磨约20分钟，以确保混合均匀。随后将处理好的混合物

晶体结构分析

图1(a)展示了LSGO: xEr³⁺（x = 0–0.11）样品的XRD图谱，以及LaSr₂Ga₁₁O₂₀的标准衍射数据（PDF#97-026-2084）。所有检测到的衍射峰都与标准图谱一致，这说明这些样品具有纯相结构，而且铒离子的引入并未显著改变宿主晶体的结构。图1(b)和(c)则展示了LSGO以及LSGO: 0.05Er³⁺样品的XRD图谱经过Rietveld精修后的结果，从图中可以看出

结论

本研究通过高温固相法成功合成了一系列掺铒的LaSr₂Ga₁₁O₂₀荧光粉。在980?nm和379?nm波长下激发时，这些荧光粉会发出以522?nm和547?nm为中心的强烈绿色发光带。本研究还详细分析了基于荧光强度比和荧光寿命技术的LaSr₂Ga₁₁O₂₀: Er³⁺荧光粉在三种测量模式下的光学温度测量性能，得出了相应的最大相对灵敏度数值

作者贡献说明

Yixi Lu：论文初稿撰写、审阅与修改工作。Tingshu Lu：数据整理工作。Wanyin Wu：实验研究工作。Tingting Zhang：项目管理工作。Feng Tian：方法设计工作。Chaoyong Deng：软件相关工作。Weichao Huang：论文审阅与修改工作。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

Yixi Lu|Tingshu Lu|Wanyin Wu|Tingting Zhang|Feng Tian|Chaoyong Deng|Weichao Huang