Tm3 + Модифицированное поведение оптической температуры прозрачной гексагональной стеклокерамики NaGdF4, легированной Er3 +

Фон

Преобразование инфракрасного излучения в видимый свет привлекло большое внимание к процессам преобразования с повышением частоты (UC), особенно к ионам трехвалентного лантаноида (Ln ³⁺ ) -дегированные UC материалы [1,2,3,4,5], благодаря широкому применению в обнаружении видимого инфракрасного излучения, солнечных элементах и ​​оптическом измерении температуры [6,7,8,9,10]. Среди этих приложений оптические датчики температуры, основанные на методе отношения интенсивностей флуоресценции (FIR), были признаны хорошим методом для измерения температуры в наномасштабе [11, 12]. Эээ ³⁺ зарекомендовал себя как отличные ионы в области оптических датчиков температуры, поскольку он имеет две пары смежных термически связанных уровней энергии ( ² H _11/2 , ⁴ S _3/2 ) и ( ² D _7/2 , ⁴ G _9/2 ), относительная интенсивность излучения которых сильно зависит от температуры [13]. Сантос и др. Исследовали, что максимальная чувствительность оптического измерения температуры с использованием флуоресцентного излучения с повышающим преобразованием составляла 0,0052 / ° C в Er ³⁺ . -Yb ³⁺ со-легированный Ga ₂ S ₃ :La ₂ О ₃ халькогенидное стекло [14]. Леон-Луис и др. Исследовали, что датчик температуры имеет максимальную чувствительность 0,0054 K ⁻¹ . на основе Er ³⁺ зеленое излучение с повышением конверсии во фтортеллуритовом стекле [15]. Du et al. обнаружил, что Er ³⁺ / Yb ³⁺ -со-легированный Na _0,5 Б-г _0,5 МоО ₄ наночастицы имели максимальную чувствительность 0,00856 K ⁻¹ которое не зависит от концентрации примеси [16]. Zheng et al. наблюдалось пятифотонное излучение Er ³⁺ с повышающим преобразованием для оптического измерения температуры с максимальной чувствительностью 0,0052 K ⁻¹ [17]. Однако в этих статьях сообщалось о чувствительности Er ³⁺ -допированный оптический температурный материал, на который в основном влияет матрица-хозяин, влияние которого на мощность возбуждения не изучалось. Фактически, интенсивность термически связанного уровня энергии будет изменяться с интенсивностью мощности возбуждения. Wang et al. обнаружили, что коэффициент термического гашения и температурная чувствительность от термически связанных уровней энергии Er ³⁺ -допированный прозрачный Sr _0,69 La _0,31 F _2.31 стеклокерамика зависела от мощности накачки [18]. Группа Беднаркевича отметила, что максимальное значение чувствительности зависело от мощности накачки для LiYbP ₄ О ₁₂ :0,1% Er ³⁺ нанокристаллы [19]. Аналогичный результат был получен в Er ³⁺ -допированный Y ₂ SiO ₅ порошки [20]. Оптическая термометрия при разной мощности возбуждения была разной, поскольку на отношения интенсивностей флуоресценции влияли мощности возбуждения. Таким образом, необходимо изучить поведение оптической температуры при различных мощностях возбуждения.

Среди указанных материалов-хозяев NaGdF ₄ подтверждено, что нанокристаллы являются превосходной люминесцентной основной матрицей для различных оптически активных Ln ³⁺ в оптических датчиках температуры из-за их относительно низкой энергии фононов и превосходной химической стабильности [21, 22]. На основе пары термически связанных уровней энергии ² H _11/2 и ⁴ S _3/2 из Er ³⁺ ion, оптические температурные свойства Er ³⁺ -допированный NaGdF ₄ сообщалось [23]. Однако в упомянутой выше работе не учитывалось влияние мощности возбуждения на оптические температурные свойства Er ³⁺ . -допированный NaGdF ₄ . Оптические температурные свойства Er ³⁺ ионов зависит от относительных изменений интенсивности зеленого излучения термически связанных уровней энергии ² H _11/2 и ⁴ S _3/2 уровень. Люминесцентный Er ³⁺ ионы регулировались Tm ³⁺ ионы за счет передачи энергии от Er ³⁺ ионов до Tm ³⁺ ионы [24,25,26,27,28]. Таким образом, оптические свойства Er ³⁺ -допированный NaGdF ₄ стеклокерамика может быть скорректирована введением Tm ³⁺ ионы.

В этой статье Er ³⁺ однолегированные и Er ³⁺ -Tm ³⁺ -со-легированный гексагональный NaGdF ₄ стеклокерамика была изготовлена, чтобы проиллюстрировать вышеупомянутые проблемы. Обнаружено, что люминесцентный элемент Er ³⁺ -допированный NaGdF ₄ стеклокерамика меняет цвет с зеленого на красный, контролируя концентрацию Tm ³⁺ ионы. Влияние допинга Tm ³⁺ ионы от коэффициента термического тушения, механизма заселения термосвязанных уровней и температурной чувствительности также наблюдаются при использовании различных мощностей возбуждения. Было замечено, что оптическая температурная чувствительность Er ³⁺ -допированный и Er ³⁺ -Tm ³⁺ -со-легированный NaGdF ₄ стеклокерамика оставалась значительно увеличенной с увеличением мощности возбуждения в более низкотемпературном поле и достигла максимальной чувствительности ниже 322,4 мВт / см ² возбуждение.

Методы

Образцы стеклокерамики мольным составом 70,1SiO ₂ -4.3Al ₂ О ₃ -1,8AlF ₃ -2,3На ₂ CO ₃ -18,5NaF- (2,4-х) Gd ₂ О ₃ -0,6Er ₂ О ₃ -xTm ₂ О ₃ ( x =0, 0,05, 0,1, 0,15, 0,2) были получены методом закалки в расплаве, которые были обозначены как NGF1, NGF2, NGF3, NGF4 и NGF5 соответственно. Реагенты высокой чистоты SiO ₂ , Al ₂ О ₃ , AlF ₃ , Na ₂ CO ₃ , NaF, Gd ₂ О ₃ , Er ₂ О ₃ , и Tm ₂ О ₃ использовались как сырье. Точно взвешенные партии сырья по 20 г растирали в ступке при полностью перемешанном состоянии и затем плавили в корундовом тигле с крышкой при 1600 ° C в течение 45 мин. Расплавы быстро отливали в пластину формы из латуни и прессовали ее. Полученную стеклокерамику отжигали при 700 ° C в течение 20 часов с образованием прозрачной керамики в процессе кристаллизации в печи отжига. Все образцы были оптически отполированы для дальнейшей характеристики. Для лучшего сравнения роли Tm ³⁺ ионы NGF1 и NGF3 используются в основном в качестве контрастного образца.

Структуры образцов исследовали методом дифракции рентгеновских лучей (XRD) с использованием оборудования XTRA (Switzerland ARL), снабженного медной трубкой с Kα-излучением при 1,54056 нм. Форму и размер образцов наблюдали с помощью просвечивающего электронного микроскопа (JEOL JEM-2100). Спектры люминесценции получали на спектрофотометре Acton SpectraPro SP-2300 с фотоумножителем, оснащенным ксеноновой лампой в качестве источников возбуждения. Различные температурные спектры были получены с использованием системы INSTEC HCS302 Hot and Cold.

Результаты и обсуждение

Структурные свойства Er ³⁺ -Tm ³⁺ -со-легированный прозрачный NaGdF ₄ стеклокерамика изучается с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ), изображений просвечивающего электронного микроскопа с высоким разрешением (ПЭМВР) и XRD, как показано на рис. 1. Было обнаружено, что темные сферические или неправильные блочные нанокристаллы лежали на серый фон и размер NaGdF ₄ размер кристаллита составляет около 30–55 нм, как показано на рис. 1а. На рис. 1b изображение HRTEM показывает полосы решетки с наблюдаемым межплоскостным расстоянием около 0,23 нм, это может быть отнесено к плоскости кристалла (111) NaGdF ₄ кристаллы. Как показано на рис. 1c, положение и интенсивность всех дифракционных пиков можно легко отнести к гексагональной фазе NaGdF ₄ на основе стандартной картины XRD (JCPDS 27-0667), которая указывает, что гексагональная фаза NaGdF ₄ с кристаллической природой могут быть легко получены методом закалки в расплаве.

( а ) ТЕА и ( b ) Микрофотографии HRTEM NGF3. c Диаграмма XRD NGF3 (JCPDS 27-0699)

Спектры поглощения NGF1 и NGF3 от 320 до 1600 нм показаны на рис. 2. Это соответствует переходу от основного состояния (за исключением поглощения 450 нм) к высокому энергетическому уровню, отмеченному на рисунке. Пики поглощения 378, 405, 488, 520, 652, 972 и 1532 нм отнесены к переходам Er ³⁺ ионы из основного состояния ⁴ Я _15/2 в возбужденное состояние ⁴ G _11/2 , ² H _9/2 , ⁴ F _7/2 , ² H _11/2 , ⁴ F _9/2 , ⁴ Я _11/2 , и ⁴ Я _13/2 , соответственно. Пик поглощения Tm ³⁺ ионы имеют 450 и 1206 нм, что соответствует передаче энергии ¹ D ₂ → ³ F ₄ и ³ H ₅ → ³ H ₆ . Примечательно, что изменение формы пика на 800 нм поглощает длины волн после легирования Tm ³⁺ ионы; он может быть поглощен Er ³⁺ ионы и Tm ³⁺ ионы вместе. Поглощение около 800 нм в совместно легированных образцах может происходить из-за переходов Er ³⁺ : ⁴ Я _15/2 → ⁴ Я _9/2 и Tm ³⁺ : ³ H ₆ → ³ H ₄ соответственно.

Спектры поглощения NGF1 и NGF3

Спектры люминесценции с повышением конверсии при комнатной температуре образцов NGF1, NGF2, NGF3, NGF4 и NGF5 исследованы при возбуждении лазерным диодом с длиной волны 980 нм. Характерные выбросы Er ³⁺ ионы в диапазоне от 300 до 900 нм четко видны на рис. 3а. Полосы излучения, расположенные при 509 нм (NGF1), 542 нм (зеленый, NGF3) и 660 нм (красный, NGF3), относятся к ² H _9/2 → ⁴ Я _15/2 , ⁴ S _3/2 → ⁴ Я _15/2 , и ⁴ F _9/2 → ⁴ Я _15/2 переходы Er ³⁺ , соответственно. Как показано на рис. 3a, с добавлением Tm ³⁺ ионов и концентрация увеличивается, эмиссия 509 нм исчезает, сначала уменьшается интенсивность длины волны 542 нм, а затем изменение не является очевидным; при этом длина волны 660 нм сначала увеличивается, а затем уменьшается. Чтобы ясно показать относительные изменения между длиной волны 542 нм и длиной волны 600 нм, соотношение интенсивности красного и зеленого показано на рис. 3b. Отношение интенсивности красного к зеленому сначала увеличивается, а затем поддерживается определенный диапазон подъемов и падений с помощью Tm ³⁺ концентрация ионов увеличилась. В сочетании с рис. 3a, b, интенсивность люминесценции различной длины волны изменилась с Tm ³⁺ ионами легирования, при этом положение пика не изменилось. Следовательно, Tm ³⁺ ионы обладают эффектом модифицированной люминесценции в Er ³⁺ -допированный NaGdF ₄ стеклокерамика.

( а ) Спектры люминесценции и ( b ) соотношение интенсивностей красного и зеленого для 1% Er3 +, x% Tm3 + -со-легированного NaGdF4 ( x =0, 0,05, 0,1, 0,15, 0,2)

Для анализа Tm ³⁺ модифицированная люминесценция, диаграмма уровней энергии и механизм фотолюминесценции показаны на рис. 4. В Er ³⁺ однодопированный NaGdF ₄ полосы излучения 509 нм, 542 нм (зеленый) и 660 нм (красный) наблюдаются через переходы от ² H _9/2 , ⁴ S _3/2 и ⁴ F _9/2 указывает на ⁴ Я _15/2 состояние соответственно. Совместным допингом Er ³⁺ и Tm ³⁺ ионы в NaGdF ₄ , при возбуждении 980 нм поглощение фотонов 980 нм приводит к прямому возбуждению Er ³⁺ ионы из земли ⁴ Я _15/2 состояние возбужденной станции ⁴ Я _11/2 состояние через процесс поглощения основного состояния (GSA). Тогда Er ³⁺ ионы в ⁴ Я _11/2 состояние повышается до более высокого уровня ⁴ F _7/2 состояние через поглощение возбужденного состояния (ESA). После серии нерадиоактивной релаксации (НР) от ⁴ Я _7/2 полосы излучения 542 нм (зеленый), 660 нм (красный) наблюдаются через переходы от ⁴ S _3/2 и ⁴ F _9/2 указывает на ⁴ Я _15/2 состояние соответственно. А зеленое излучение уменьшается за счет передачи энергии (ET) от Er ³⁺ до ТМ ³⁺ (5, рис. 4):Er ³⁺ ( ⁴ S _3/2 ) + Tm ³⁺ ( ³ H ₆ ) → Er ³⁺ ( ⁴ Я _9/2 ) + Tm ³⁺ ( ³ F ₄ ) [29]. Напротив, население ⁴ F _9/2 уровень основан на процессах ET следующим образом (6, рис. 4):Er ³⁺ ( ⁴ Я _11/2 ) + Tm ³⁺ ( ³ F ₄ ) → Er ³⁺ ( ⁴ F _9/2 ) + Tm ³⁺ ( ³ H ₆ ), что уже было подтверждено [25, 30]. Есть два важных энергетических уровня усиления излучения 660 нм, Er ³⁺ ( ⁴ Я _11/2 ) и Tm ³⁺ ( ³ F ₄ ); население Эр ³⁺ ( ⁴ Я _11/2 ) проходит через процесс NR из Er ³⁺ ( ⁴ Я _9/2 ); однако мы обнаружили, что Tm ³⁺ ( ³ F ₄ ) заполняется через три типа ET:первый (ET1, рис. 4) - Er ³⁺ ( ⁴ Я _13/2 ) → Tm ³⁺ ( ³ F ₄ ); второй (ЕТ2, рис. 4) - Er ³⁺ (Я _11/2 ) → Tm ³⁺ ( ³ H ₅ ) с последующим NR от ³ H ₅ (Tm ³⁺ ) на ³ F ₄ (Tm ³⁺ ); и третий - это ранее упомянутая передача энергии при уменьшении количества зеленых выбросов:Er ³⁺ ( ⁴ S _3/2 ) + Tm ³⁺ ( ³ H ₆ ) → Er ³⁺ ( ⁴ Я _9/2 ) + Tm ³⁺ ( ³ F ₄ ). В сочетании с рис. 3а и 4, зеленое излучение резко уменьшилось с Tm ³⁺ легированные ионы; инопланетянин Эр ³⁺ ( ⁴ S _3/2 ) + Tm ³⁺ ( ³ H ₆ ) → Er ³⁺ ( ⁴ Я _9/2 ) + Tm ³⁺ ( ³ F ₄ ) может доминировать в популяции Tm ³⁺ ( ³ F ₄ ). И красное свечение гасится при больших Tm ³⁺ концентрация. Его можно отнести к ЕТ (ЕТ3, рис. 4): ⁴ F _9/2 (Er ³⁺ ) → ³ F ₂ (Tm ³⁺ ). ³⁰ В сочетании с приведенным выше анализом мы можем разделить перенос энергии Er ³⁺ -Tm ³⁺ системы люминесценции на две части:(а) возбужденное состояние ⁴ Я _11/2 состояние от поглощения в основном состоянии, а затем через поглощение в возбужденном состоянии на более высокую станцию ​​ ⁴ F _7/2 состояние по Er ³⁺ , посредством окончательной безызлучательной релаксации от ⁴ Я _7/2 наблюдаются полосы излучения 542 нм (зеленый), 660 нм (красный); (б) заселенность излучающих красный цвет и уменьшение заселенности излучающих зеленый можно отнести к энергетической петле, Er ³⁺ ( ⁴ S _3/2 ) → Er ³⁺ ( ⁴ Я _9/2 ) → Er ³⁺ ( ⁴ Я _11/2 ) → Tm ³⁺ ( ³ F ₄ ) → Er ³⁺ ( ⁴ F _9/2 ), реализующий модифицированную люминесценцию Tm ³⁺ ионы.

Диаграмма уровней энергии, показывающая механизм UC в NGF3

Температурные свойства, основанные на излучении люминесценции при 509, 529, 542, 660 и 805 нм Er ³⁺ однолегированный (NGF1) и люминесцентное излучение при 529, 542 и 660 нм Er ³⁺ -Tm ³⁺ -со-легированный NaGdF ₄ стеклокерамика (NGF3) показана на рис. 5 с температурой от 298 до 573 К соответственно. Две зеленые полосы излучения с повышением частоты около 529 и 542 нм соответствуют ² H _11/2 → ⁴ Я _15/2 и ⁴ S _3/2 → ⁴ Я _15/2 переходы Er ³⁺ , соответственно. Эмиссия 509, 660 и 805 нм соответствует ² H _9/2 → ⁴ Я _15/2 , ⁴ F _9/2 → ⁴ Я _15/2 и ⁴ Я _9/2 → ⁴ Я _15/2 переходы Er ³⁺ , соответственно. С повышением температуры можно обнаружить, что интенсивности излучения ⁴ S _3/2 уровень заметно снижается. ² H _11/2 уровень также может быть заполнен из ⁴ S _3/2 уровень из-за теплового возбуждения, из-за теплового заселения и депопуляции при высокой температуре [31]. Относительная заселенность «термически связанных» ² H _11/2 и ⁴ S _3/2 Уровни следуют распределению населения по типу Больцмана, которое уже было подтверждено [32, 33], что приводит к вариациям переходов ² H _11/2 → ⁴ Я _15/2 и ⁴ S _3/2 → ⁴ Я _15/2 из Er ³⁺ при повышенной температуре.

Спектры излучения UC ( a ) NGF1 и ( b ) NGF3 в диапазоне длин волн 200–900 нм при различных температурах

Коэффициент термической закалки ( R _Q ) является ключевым параметром для оценки влияния температуры на тушение люминесценции [16]. R _Q полосы излучения при изменении температуры определяется следующим образом:

Вот, Я _Т - интенсивность люминесценции при разных температурах T , и Я ₀ - интенсивность люминесценции при комнатной температуре. Значения R _Q для 409, 529, 542, 660 и 805 нм эмиссии NGF1 и NGF3 показаны на рис. 6 с 66,8 и 322,4 мВт / см ² мощность возбуждения. На рис. 6а с увеличением температуры значение R _Q при 529 нм растет медленнее, чем значение в 542 нм, что означает, что интенсивность излучения 529 нм уменьшается медленнее, чем интенсивность излучения 529 нм. На рис. 6б он показывает иную тенденцию с повышением температуры. Значение R _Q при 542 нм полоса излучения увеличивается с повышением температуры. Напротив, значение R _Q полосы излучения 529 нм показывает некоторые отрицательные значения и сначала уменьшается, а затем увеличивается с повышением температуры, что означает, что ² H _11/2 состояние заселяется термически при высокой температуре [34]. На рис. 6а значения R _Q для 409 нм выбросы быстро увеличиваются с увеличением температуры. По сравнению с рис. 6a, b при 660 нм, мы могли бы избежать этого, добавив Tm ³⁺ ионы, R _Q становится относительно большим положительным значением, что означает Er ³⁺ -Tm ³⁺ -со-легированный NaGdF ₄ при 660 нм свечение с температурой существенно изменилось. Интенсивность излучения 800 нм может быть значительно увеличена увеличением температуры и уменьшением мощности возбуждения на рис. 6а, но это не проявляется в Er ³⁺ -Tm ³⁺ -со-легированный NaGdF ₄ .

Коэффициенты термической закалки ( R Q) из ( a ) NGF1, ( b ) NGF3 при низком уровне 66,8 мВт / см ² мощность возбуждения и при высокой 322,4 мВт / см ² мощность возбуждения

Чтобы изучить происхождение зеленого и красного излучения Er ³⁺ ионов при высоких температурах, соотношение между интенсивностью излучения UC I и интенсивность лазерного излучения P выражается как:

где I - интенсивность излучения, P - падающая мощность накачки, а n - число фотонов накачки, поглощенных в процессе преобразования с повышением частоты [35]. На рисунке 7 показаны логарифмические графики интенсивности повышающего преобразования и мощности накачки для зеленого и красного цветов при различных температурах в NGF3. Наклоны подобранных линий для эмиссии 542 и 660 нм мало изменяются в двух температурных точках 298 и 573 K и всех значениях n меньше 2, но больше 1, что указывает на то, что излучение 524 и 660 нм происходит в результате двухфотонного процесса преобразования с повышением частоты независимо от высокой или низкой температуры.

Лог-логарифмические графики интенсивности и мощности накачки для ( a ) 542 нм, ( b ) 660 нм при 298 и 573 К в NGF3

Таким образом, два соседних энергетических уровня, верхние ² H _11/2 уровень и нижний ⁴ S _3/2 , может относительно изменяться с повышением температуры, что соответствует закону распределения Больцмана, и его можно использовать в качестве термически связанных уровней [36]. Согласно теории [16] и [23], коэффициент заселенности ² H _11/2 до ⁴ S _3/2 из термически связанных уровней Er ³⁺ определяется как:

где A - константа подгонки, которая зависит от экспериментальной системы и собственных спектроскопических параметров; △ E - подходящая разность энергий между термосвязанными уровнями; К _B - постоянная Больцмана; Т абсолютная температура. Соотношение интенсивностей люминесценции между I _U и я _L будет регулярно меняться с повышением температуры. Функциональная связь между отношением интенсивностей люминесценции и температурой может быть определена путем подбора некоторых точек данных при различных температурах. Зависимые от температуры отношения интенсивности флуоресценции между ² H _11/2 и ⁴ S _3/2 из Er ³⁺ в образцах NGF1 и NGF3 от 298 до 573 K показаны на рис. 8 при разной мощности возбуждения. Экспериментальные данные соответствуют формуле. (3). Видно, что фитинги хорошо согласуются с экспериментальными данными. Значение кривой R зависит от мощности возбуждения, будь то NGF1 или NGF3. Это означает, что отношения интенсивностей флуоресценции связанных уровней ² H _11/2 и ⁴ S _3/2 чувствительны к накачивающей мощности в Er ³⁺ однолегированные и Er ³⁺ -Tm ³⁺ -со-легированный NaGdF ₄ стеклокерамика. Сравнивая рис. 8b с рис. 8a, при той же мощности возбуждения, можно видеть, что формула согласования кривой отличается, что предполагает, что коэффициент заселенности ² H _11/2 до ⁴ S _3/2 был изменен после легированного Tm ³⁺ ионы.

Отношение интенсивности излучения в зависимости от мощности возбуждения стеклокерамики 2H11 / 2 / 4S3 / 2 на ( a ) NGF1 и ( b ) NGF3

Важно исследовать чувствительность зондирования для дальнейшего понимания температурного отклика NGF1 и NGF3. Чувствительность оптической термометрии - это скорость изменения R в ответ на изменение температуры [37, 38]. Относительная чувствительность S _R и абсолютная чувствительность S _A определяются как:

где △ E - разность энергий между термосвязанными уровнями, K _B постоянная Больцмана, T - абсолютная температура, а R - коэффициент люминесценции между двумя термосвязанными уровнями [39]. На рисунке 9 изображены кривые S _R образцов NGF1 и NGF3 в зависимости от температуры при разной мощности возбуждения. Два образца показывают высокую чувствительность при низком возбуждении. Максимальный S _R значение Er ³⁺ -допированный NaGdF ₄ оценивается в 0,001 K ⁻¹ при 334 К, а Er ³⁺ -Tm ³⁺ -со-легированный NaGdF ₄ имеет максимум S _R значение, равное 0,00081 K ⁻¹ при 292 К. Кроме того, стоит отметить, что пик чувствительности смещается в область более низких температур после легирования Tm ³⁺ ионы.

Относительная чувствительность, зависящая от мощности возбуждения S R из ( a ) NGF1 и ( b ) NGF3

На рис. 9 наклон подобранных линий для NGF1 и NGF3 сначала увеличивается, а затем медленно уменьшается с увеличением диапазона температур от 0 до 2000 K, показывая, что NGF1 и NGF3 могут контролировать широкий диапазон температур. Хорошо видно, что с добавлением Tm ³⁺ ионов, максимальная чувствительность и максимальная температура чувствительности изменены. По сравнению с NGF1, который имеет максимальную чувствительность при температуре около 334 K, NGF3 имеет максимальную чувствительность при более низкой температуре, чем NGF1, которая составляет около 292 K. Это означает Tm ³⁺ ионы могут изменять чувствительность и диапазон измерения температуры. И он очень чувствителен к измерению температуры от 334 до 405 K, используя соотношение интенсивностей флуоресценции NGF1 при мощности возбуждения от 322,4 до 66,8 мВт / см ² . Это означает, что Er ³⁺ -допированный NaGdF ₄ может использоваться для промежуточных измерений температуры. Как видно из рис. 9b, NGF3 имеет высокую чувствительность при низкой температуре около 292 К. Хорошо известно, что большинство материалов для оптических температур, легированных редкоземельными ионами с повышающим преобразованием, демонстрируют превосходную чувствительность при температурах от умеренных до высоких. [40,41,42]. Сообщений об оптической термометрии при комнатной температуре очень мало. Таким образом, NGF3 подходит для контроля температуры около 20 ° C. Можно обнаружить, что значения S _R уменьшаются с увеличением мощности возбуждения в основном в NGF1, но сначала уменьшаются, а затем увеличиваются с увеличением мощности возбуждения в NGF3. Самый большой S _R появляется при мощности возбуждения 322,4 мВт / см ² . Кроме того, можно заметить, что температура в месте максимальной чувствительности близка к нижнему температурному диапазону по мере увеличения мощности возбуждения. Таким образом, можно получить общее правило для NGF1 и NGF3, которые более чувствительны для измерения температуры в более низкотемпературных средах по мере увеличения мощности возбуждения. NGF1 не только имеет максимум S _R больше, чем NGF3, но также имеет значение S _R что больше и соответствует обычным правилам с увеличением мощности возбуждения, чем NGF3. Таким образом, Er ³⁺ -допированный NaGdF ₄ является лучшим кандидатом для оптических датчиков температуры, чем Er ³⁺ -Tm ³⁺ -со-легированный NaGdF ₄ с учетом устойчивости, вызванной температурой и мощностью возбуждения. Согласно формуле. (4) чувствительность определяется разностью энергий (△ E ) между термосвязанными уровнями. Таким образом, разность энергий (△ E ) в стеклокерамике NGF1 и NGF3 больше, чем в некоторых других материалах, легированных редкоземельными ионами, что приводит к более высокой чувствительности стеклокерамики NGF1 и NGF3. Чтобы сравнить чувствительность к различным редкоземельным ионам для оптической термометрии, некоторые отчеты о чувствительности различных редкоземельных ионов представлены в таблице 1. Она показывает, что чувствительность Er ³⁺ -допированный NaGdF ₄ стеклокерамика лучше, чем некоторые другие материалы, легированные ионами редкоземельных элементов. Итак, далее объясняется, что Er ³⁺ -со-легированный NaGdF ₄ стеклокерамика будет хорошим кандидатом для высокопроизводительной оптической термометрии.

Выводы

Таким образом, Er ³⁺ -допированный NaGdF ₄ и Er ³⁺ -Tm ³⁺ -со-легированный NaGdF ₄ Стеклокерамика была приготовлена ​​методом закалки в расплав с последующим нагревом. Образцы исследовали с помощью XRD, TEM и измерения спектров люминесценции. Under laser excitation of 980 nm, these glasses strongly emitted light in the visible region, ranging from green to red. A visible emission which can be tuned from the green to the red color by varying the Tm ³⁺ ion concentration is achieved under the 980 nm excitation. Meanwhile, the emission intensities of the Er ³⁺ -doped and Er ³⁺ -Tm ³⁺ -co-doped transparent NaGdF₄ glass ceramics were found to be temperature dependent. It was found that the spectrum structure, thermal quenching ratio, fluorescence intensity ratio, and sensitivity from thermally coupled levels were strongly dependent on the change of pump powers. Optical temperature sensing of the Er ³⁺ -doped and Er ³⁺ -Tm ³⁺ -co-doped NaGdF₄ transparent glass ceramics in the temperature that ranges from 298 to 573 K is studied. The maximum value of relative sensitivity (S _R ) is 0.001 K ⁻¹ at 334 K under 322.4 mW/mm ² excitation. And it shifts toward the lower temperature range and has a maximum value of 0.00081 K ⁻¹ at 292 K after doped with Tm ³⁺ ионы. The results indicate that the Er ³⁺ -doped and Er ³⁺ -Tm ³⁺ -co-doped NaGdF₄ transparent glass ceramics may be good candidates for the temperature sensor.

Сокращения

△E:

Energy difference

ESA:

Excited-state absorption

ET:

Energy transfer

FIR:

Fluorescence intensity ratio

GSA:

Ground-state absorption

HRTEM:

High-resolution transmission electron microscope

Ln ³⁺ :

Trivalent lanthanide ions

NGF1:

0.6%Er ³⁺ -doped NaGdF₄ glass ceramics

NGF2:

0.6%Er ³⁺ -0.05%Tm ³⁺ co-doped NaGdF₄ glass ceramics

NGF3:

0.6%Er ³⁺ -0.1%Tm ³⁺ co-doped NaGdF₄ glass ceramics

NGF4:

0.6%Er ³⁺ -0.15%Tm ³⁺ co-doped NaGdF₄ glass ceramics

NGF5:

0.6%Er ³⁺ -0.2%Tm ³⁺ co-doped NaGdF₄ glass ceramics

NR:

Nonradioactive relaxation

RE:

Rare earth ion

R_Q :

Thermal quenching ratio

S_A :

Absolute sensitivity

S_R :

Relative sensitivity

ТЕМ:

Просвечивающий электронный микроскоп

UC:

Up-conversion

XRD:

Рентгеновская дифракция