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稀土掺杂下转换发光材料的制备及其在温度传感方面的应用

申报人：王一鸣 申报日期：2025-01-10

基本情况

2025年批次
稀土掺杂下转换发光材料的制备及其在温度传感方面的应用 学生申报
创新训练项目
理学
物理学类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
传统的接触式温度计在测量过程中要求与被测物体有很好的热接触，在高温、远距离、腐蚀、极窄通道等极端环境下很难应用。因此需要开发非接触式测温技术来进行复杂情况下目标温度的测量。基于发光材料的荧光强度比（LIR）光学测温法被视为非接触式测温中最具应用潜力的光学测温方式之一。 基于此，本项目用Eu3+、Tb3+、Dy3+对Ca2LaNbO6基质中的掺杂利用荧光动力学方程，拟合出荧光强度比值与温度的关系式，确定温敏发光机制。利用复杂晶体化学键介电理论计算晶体微观结构参数，建立测温灵敏度与微观结构参数之间关系。获得高性能温敏材料。

科研课题：1. 国家自然科学基金-地区基金，52462016，参与
科研论文：1. Scripta Materialia, 211 (2022): 114515
2.Journal of Alloys and Compounds, 889 (2021): 161671
3.Chemical Engineering Journal, 365 (2019):400-404
引导学生收集相关资料,指导学生制定实验方案;指导学生进行科研实验和相关测试;支持学生发表论文以及相关专利申请。
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
王一鸣 物理与电子信息工程学院 应用物理学 2023 总揽项目、方案设计与具体实施
计佳宏 物理与电子信息工程学院 应用物理学 2023 撰写阶段报告与总结报告
赵刘涛 物理与电子信息工程学院 应用物理学 2023 材料制备与物性测试
陈浩 物理与电子信息工程学院 应用物理学 2023 查找文献、方案设计

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
张安琪 物理与电子信息工程学院 否

立项依据

稀土掺杂的氧化物下转换发光材料具有物理、化学性质稳定，制备方法简单，热稳定性高等诸多优点。该种类的荧光粉在光催化、光学温度传感、太阳能电池、农业固态照明、防伪、指纹识别、WLED 等领域有着广泛的应用。稀土离子的发光特性主要依赖于其4f电子层的性质。其峰值发射波长位于611nm，颜色纯正，能够满足作为高效荧光粉的所有条件要求。Tb3+离子则具有较强的绿光发射，与Eu3+离子共同掺杂时，可以形成双发光中心，通过荧光激发，不受激发光热效应的影响。Dy3+离子则具有丰富的能级结构，可实现可见光输出，具有广阔的应用前景。
在机理研究方面，稀土离子的发光主要来源于4f组态内的能级跃迁和4f-5d跃迁。对于大部分三价离子（除Ce3+外），其发光主要来自于4f组之间的能级跃迁，这种跃迁的特征是发射光谱呈现线状，且受到温度的影响较小。而4f-5d跃迁则表现为宽带吸收和发射，基质对于发光光谱的影响较大。此外，电荷转移态跃迁（CTS）也是稀土发光的重要光学跃迁之一。在荧光强度比温度传感应用方面，增加热耦合能级对荧光强对比测温介绍与举例。这种温度传感方法具有高灵敏度、非接触性和环保等优点。
本项目用Eu3+、Tb3+、Dy3+对Ca2LaNbO6基质中的掺杂利用荧光动力学方程，拟合出荧光强度比值与温度的关系式，确定温敏发光机制。利用复杂晶体化学键介电理论计算晶体微观结构参数，建立测温灵敏度与微观结构参数之间关系。获得高性能温敏材料。
1.研究Ca2LaNbO6基质中下转换离子Eu3+、Tb3+、Dy3+的发光机理及材料特性。
2. 探究在稀土离子Eu3+、Tb3+、Dy3+掺杂下基质的温度敏感特性及温度响应能力离子荧光强度变化
3. 研究研究Ca2LaNbO6掺杂后稀土离子荧光强度变化与温度关系
4. 基于研究掺杂稀土离子后材料的化学稳定性和长期性能
5. 解释Ca2LaNbO6基质中稀土离子的能量传递过程。
稀土掺杂下转换发光材料的制备通常涉及将稀土元素（如镧系元素）掺杂到基质材料中，通过特定的合成方法（如高温固相法、溶胶-凝胶法、水热法等）形成具有下转换发光性能的材料。这些材料的发光性能取决于稀土元素的种类、掺杂浓度以及基质材料的性质。稀土掺杂发光材料由于其独特的光学特性和稳定的化学性质,受到众多研究人员的青睐,被广泛应用于温度传感、生物成像、光热治疗等方面。由于稀土元素的丰富能级结构,基于稀土掺杂发光材料通常在发光效率方面表现优异。同时,基于稀土发光材料的比率型光学温度计,因其具有高精度、快速响应、宽温度范围应用、不受环境干扰等优点,在温度传感方面脱颖而出。并且在众多稀土掺杂发光材料中,氧化物基质因其优异的热稳定性、化学稳定性、低毒性,成为稀土发光材料的理想对象。然而,部分稀土离子掺杂到氧化物基质材料中的发射强度较低,限制了其在应用上的创新和发展。目前,增强稀土发光材料发射强度的方法有很多,包括掺入非镧系离子、控制敏化剂和活化剂掺杂的比例、改变掺杂离子所处的晶体场环境等。现研究中设计合成了几种不同的氧化物发光材料,采用了多种增强发光材料发射强度的方法,研究了通过稀土离子之间的能量传递、掺杂碱金属离子、通过基质材料将吸收的能量传递给激活剂、掺入非镧系离子与稀土离子进行能量传递等方式来增强稀土发光材料的发射强度[1][2]。
在稀土离子的能量传递机制、发光材料的热稳定性等方面也有重要进展。例如，哈尔滨工业大学化工与化学学院的陈冠英教授团队揭示了稀土离子在纳米晶中存在尺寸依赖的离子间长程能量传递的物理机制，为稀土发光材料的设计提供了新思路。在稀土掺杂下转换发光材料的制备方面，国内研究人员通过优化稀土元素的掺杂和加工技术，提高了发光材料的发光效率和稳定性。这些材料在节能灯、显示器、特种光源等领域有着广泛的应用前景。稀土发光材料在温度传感方面展现出独特的优势。国内研究人员利用稀土离子的能级结构和能量传递过程，设计并制备了一系列具有优异温度传感性能的材料。例如，中国科学院长春应用化学研究所的李成宇团队开发了一种基于掺杂离子能量传递的新型温敏发光材料，该材料在紫外光的激发下发射白光，并表现出良好的温敏特性[3]。
国外在稀土发光材料的基础理论研究方面也具有较高水平。研究人员通过深入探索稀土离子的电子层结构、能级跃迁等特性，为稀土发光材料的设计和应用提供了坚实的理论基础。国外在稀土掺杂下转换发光材料的制备方面不断探索新的制备方法和工艺。例如，通过调节稀土离子的掺杂浓度、选择合适的基质材料等手段，制备出具有优异发光性能和稳定性的稀土发光材料。国外研究人员在稀土发光材料在温度传感领域的拓展应用方面也取得了显著进展。他们利用稀土发光材料的独特性质，设计并制备了一系列高精度、高灵敏度的温度传感器，广泛应用于工业、农业、医学等领域。
综上所述，稀土掺杂下转换发光材料在制备和温度传感方面展现出了巨大的潜力和应用价值。国内外研究人员在稀土发光材料的基础理论研究、制备技术创新、温度传感应用以及跨学科合作等方面都取得了显著的成果。然而，当前的研究仍面临一些挑战，如进一步提高材料的发光效率、稳定性和测温精度等。因此，本项目旨在通过深入研究稀土掺杂下转换发光材料的制备及其在温度传感方面的应用，探索新的制备方法和测温原理，为稀土发光材料在温度传感领域的应用提供新的思路和技术支持。同时，本项目也将注重跨学科合作和技术创新，推动稀土发光材料在更多领域的应用拓展和产业升级。
（1）紫外光激发下转换稀土离子热耦合能级的荧光强度比技术在非接触式光学温度传感领域有着极大可靠性。本项目将制备稀土离子Eu3+、Tb3+、Dy3+掺杂的双钙钛矿Ca2LaNbO6氧化物。分析其下转换发光性质、发光机理。结合荧光动力学，列出稳态速率方程，明确发光过程。得到荧光强度比值与温度满足的函数关系，计算测温灵敏度。
（2）紫外光激发下发光材料在不同基质中的灵敏度和使用寿命目前尚不明确。本项目利用复杂晶体化学键介电理论，找到测温灵敏度与晶体化学键参数之间的关系，获得高灵敏度的非接触式光学温度计。

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2025.02-2026.5，实现稀土离子在Ca2LaNbO6基质中的掺杂；对样品的结构、形貌、发光性质、稳定性等进行测试；对样品的结构、发光机理等进行理论分析；对合成样品进行实际应用，对样品进行相关测试。
注意时间安排：2024.6-2025.9，预计可应用于非接触式热耦合能级对荧光强度比温度传感等方面；梳理实验思路，撰写实验总结；与其他高水平研究人员进行讨论交流，对实验进行查缺补漏，进一步深入研究其实验内容，处理实验数据，科研绘图，撰写英文实验论文；
注意时间安排：2025.10-2026.1，撰写并修改英文论文，投递SCI期刊，预计发表1篇SCI论文。
与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
查阅了大量与稀土掺杂下转换发光材料的制备及其在温度传感方面的应用相关的论文文献，对于稀土掺杂下转换发光材料认知并学会了制备流程。
已经成功合成基质材料，并掺杂下转换稀土离子。
专业实验室都具备相关仪器设备，并无缺少的条件。已具备材料合成实验室，包括1600℃高温箱式炉（合肥科晶KSL-1700X-S）、12000转离心机（湘仪HT160）、72L电热鼓风干燥箱（精宏DHG9076A）等仪器材料，为本项目材料合成的顺利开展提供了必要条件。
学校和学院在仪器设备和测试平台上保障了实验的顺利实施，满足了研究工作的需要。测试仪器如下所示：X射线衍射仪（X'Pert3 Powder-DY5103）、X射线荧光光谱仪（ZSX Primus Ⅱ）、场发射扫描电子显微镜(Gemini SEM 300)、傅立叶红外光谱分析仪（Nicolette 6700-NXR）、光电子能谱仪（ESCALAB 250Xi）、热重分析仪（TG 209 F3 Tarsus）、瞬态/稳态荧光光谱仪、傅立叶/拉曼光谱仪等。以上仪器设备可以使科研人员随时对合成样品进行相关测试。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 15000.00 无 7000.00 8000.00
1. 业务费 8000.00 无 4000.00 4000.00
（1）计算、分析、测试费 7000.00 无 3000.00 4000.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 1000.00 无 1000.00 0.00
（4）文献检索费 0.00 无 0.00 0.00
（5）论文出版费 0.00 无 0.00 0.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 无 0.00 0.00
4. 材料费 7000.00 无 3000.00 4000.00
结束

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