透明なEr3 +をドープした六角形のNaGdF4ガラスセラミックのTm3 +修正光学温度挙動

背景

赤外線の可視光への変換は、アップコンバージョン（UC）プロセス、特に3価のランタニドイオン（Ln ³⁺ ）で多くの注目を集めています。 ）ドープされたUC材料[1,2,3,4,5]、赤外線放射の可視検出、太陽電池、および光温度検知[6,7,8,9,10]での幅広い用途による。これらのアプリケーションの中で、蛍光強度比（FIR）技術に基づく光学温度センサーは、ナノスケールで温度を測定するための優れた方法として報告されました[11、12]。 Er ³⁺ 隣接する熱結合エネルギーレベル（ ² ）が2つあるため、光学温度センサーの分野で優れたイオンとして証明されています。 H _11/2 、 ⁴ S _3/2 ）および（ ² D _7/2 、 ⁴ G _9/2 ）、その相対発光強度は温度に強く依存します[13]。 Santos et.alは、アップコンバージョン蛍光発光を使用した光学温度検知の最大感度がEr ³⁺ で0.0052 /°Cであることを調査しました。 -Yb ³⁺ 共ドープされたGa ₂ S ₃ ：La ₂ O ₃ カルコゲニドガラス[14]。 León-Luiset.alは、温度センサーの感度が0.0054 K ^-1 と最も高いことを調査しました。 Er ³⁺ に基づく フルオロテルライトガラスの緑色のアップコンバートされた発光[15]。 Du etal。 Er ³⁺ / Yb ³⁺ -共ドープされたNa _0.5 Gd _0.5 MoO ₄ ナノ粒子の最大感度は0.00856K ^-1 これは、ドーパント濃度に依存しません[16]。 Zheng etal。 Er ³⁺ の5光子アップコンバージョン放出が観測されました 最高の感度を示した光学温度検知の場合、0.0052 K ^-1 [17]。ただし、これらの記事では、Er ³⁺ の感度が報告されています。 主にホストマトリックスの影響を受け、励起パワーへの影響の研究が不足しているドープされた光学温度材料。実際、熱的に結合されたエネルギーレベルの強度は、励起パワーの強度によって異なります。王ら。 Er ³⁺ の熱結合エネルギーレベルからの熱消光比と温度感度が ドープされた透明なSr _0.69 La _0.31 F _2.31 ガラスセラミックはポンプ出力に依存していました[18]。 Bednarkiewiczのグループは、最高の感度値がLiYbP ₄ のポンプパワーに依存していることを観察しました。 O ₁₂ ：0.1％Er ³⁺ ナノクリスタル[19]。同様の結果がEr ³⁺ で報告されています ドープされたY ₂ SiO ₅ 粉末[20]。蛍光強度比は励起パワーの影響を受けたため、異なる励起パワーでの光学温度測定は異なっていました。したがって、さまざまな励起パワーでの光学温度の振る舞いを調査する必要があります。

報告されたホスト資料の中で、NaGdF ₄ ナノ結晶は、さまざまな光学活性Ln ³⁺ の優れた発光ホストマトリックスとして確認されています。 フォノンエネルギーが比較的低く、化学的安定性に優れているため、光学式温度センサーで使用されています[21、22]。熱的に結合されたエネルギーレベルのカップルに基づく ² H _11/2 および ⁴ S _3/2 Er ³⁺ の イオン、Er ³⁺ の光学温度特性 ドープされたNaGdF ₄ 報告された[23]。ただし、上記の研究では、Er ³⁺ の光学温度特性に対する励起パワーの影響は考慮されていません。 ドープされたNaGdF ₄ 。 Er ³⁺ の光学温度特性 イオンは、熱的に結合されたエネルギーレベルの緑色発光強度の相対的な変化に依存します ² H _11/2 および ⁴ S _3/2 レベル。 Er ³⁺ の発光 イオンはTm ³⁺ によって調整されました Er ³⁺ からのエネルギー移動によるイオン Tm ³⁺ へのイオン イオン[24、25、26、27、28]。したがって、Er ³⁺ の光学特性 ドープされたNaGdF ₄ ガラスセラミックは、Tm ³⁺ の導入により調整できます。 イオン。

この論文では、Er ³⁺ シングルドープおよびEr ³⁺ -Tm ³⁺ -共ドープされた六角形のNaGdF ₄ 上記の問題を説明するためにガラスセラミックを製造した。 Er ³⁺ の発光が見出されます ドープされたNaGdF ₄ ガラスセラミックは、Tm ³⁺ の濃度を制御することにより、緑から赤に調整されます。 イオン。 Tm ³⁺ のドーピングの影響 異なる励起パワーを使用することにより、熱消光比、熱結合レベルのポピュレーションメカニズム、および温度感度に関するイオンも観察されます。 Er ³⁺ の光学温度感度が観察された -ドープおよびEr ³⁺ -Tm ³⁺ -共ドープされたNaGdF ₄ ガラスセラミックは、より低い温度場への励起パワーの増加とともに大幅に増加したままであり、322.4 mW / cm ² 未満で最大感度に達しました。 興奮。

メソッド

モル組成が70.1SiO ₂ のガラスセラミックサンプル -4.3Al ₂ O ₃ -1.8AlF ₃ -2.3Na ₂ CO ₃ -18.5NaF-（2.4-x）Gd ₂ O ₃ -0.6Er ₂ O ₃ -xTm ₂ O ₃ （ x =0、0.05、0.1、0.15、0.2）は、それぞれNGF1、NGF2、NGF3、NGF4、およびNGF5とラベル付けされたメルトクエンチング法によって調製されました。 SiO ₂ の高純度試薬 、Al ₂ O ₃ 、AlF ₃ 、Na ₂ CO ₃ 、NaF、Gd ₂ O ₃ 、Er ₂ O ₃ 、およびTm ₂ O ₃ 原料として使用されました。正確に秤量した20gの原材料を乳鉢で完全に混合して粉砕し、蓋をしたコランダムるつぼで1600°Cで45分間溶融しました。溶融物を真ちゅう製のモールドプレートにすばやく流し込み、プレスしました。得られたガラスセラミックを700℃で20時間アニーリングし、アニーリング炉での結晶化プロセスにより透明なセラミックを形成しました。すべてのサンプルは、さらなる特性評価のために光学的に研磨されました。 Tm ³⁺ の役割をよりよく比較するには イオン、NGF1およびNGF3は、主にコントラストサンプルに使用されます。

サンプルの構造は、1.54056 nmのKα線を備えたCuチューブを備えたXTRA（Switzerland ARL）装置を使用したX線回折（XRD）によって調査されました。サンプルの形状とサイズを透過型電子顕微鏡（JEOL JEM-2100）で観察しました。発光スペクトルは、励起源としてキセノンランプを備えた光電子増倍管を備えたActon SpectraProSP-2300分光光度計によって得られた。 INSTEC HCS302 Hot and ColdSystemを使用してさまざまな温度スペクトルが得られました。

結果と考察

Er ³⁺ の構造特性 -Tm ³⁺ -共ドープされた透明なNaGdF ₄ ガラスセラミックは、図1に示すように、透過型電子顕微鏡（TEM）、高分解能透過型電子顕微鏡（HRTEM）画像、およびXRDによって研究されます。暗い球状または不規則なブロックナノ結晶が横たわっていたことがわかりました。灰色の背景とNaGdF ₄ のサイズ 図1aに示すように、結晶子は約30〜55nmです。図1bのHRTEM画像は、観察された面間距離が約0.23 nmの格子縞を示しています。これは、NaGdF ₄ の（111）結晶面に起因する可能性があります。 結晶。図1cに示すように、すべての回折ピークの位置と強度は、円筒相NaGdF ₄ として簡単に割り当てることができます。 標準のXRDパターン（JCPDS 27-0667）に基づいています。これは、六方晶相NaGdF ₄ 結晶性のあるものは、溶融焼入れ法により容易に調製できます。

（ a ）TEMおよび（ b ）NGF3のHRTEM顕微鏡写真画像。 c NGF3のXRDパターン（JCPDS 27-0699）

NGF1とNGF3の320〜1600 nmの吸収スペクトルを図2に示します。これは、基底状態（450 nmの吸収を除く）から高エネルギーレベルへの遷移に対応します。 378、405、488、520、652、972、および1532 nmの吸収ピークは、Er ³⁺ の遷移に割り当てられます。 基底状態からのイオン ⁴ I _15/2 励起状態に ⁴ G _11/2 、 ² H _9/2 、 ⁴ F _7/2 、 ² H _11/2 、 ⁴ F _9/2 、 ⁴ I _11/2 、および ⁴ I _13/2 、 それぞれ。 Tm ³⁺ の吸収ピーク イオンの450nmと1206nmは、エネルギー移動に対応して ¹ です。 D ₂ → ³ F ₄ および ³ H ₅ → ³ H ₆ 。 Tm ³⁺ をドープした後、800nmでのピークの形状変化が波長を吸収することは注目に値します。 イオン; Er ³⁺ に吸収される可能性があります イオンとTm ³⁺ 一緒にイオン。共ドープされたサンプルの800nm付近の吸収は、遷移Er ³⁺ に起因している可能性があります。 ： ⁴ I _15/2 → ⁴ I _9/2 およびTm ³⁺ ： ³ H ₆ → ³ H ₄ それぞれ。

NGF1とNGF3の吸収スペクトル

サンプルNGF1、NGF2、NGF3、NGF4、およびNGF5の室温でアップコンバートされた発光スペクトルを、980nmのレーザーダイオードの励起下で調査します。 Er ³⁺ の特徴的な放出 図3aでは、300〜900nmの範囲のイオンを明確に観察できます。 509 nm（NGF1）、542 nm（緑、NGF3）、および660 nm（赤、NGF3）にある発光バンドは、 ² に割り当てられます。 H _9/2 → ⁴ I _15/2 、 ⁴ S _3/2 → ⁴ I _15/2 、および ⁴ F _9/2 → ⁴ I _15/2 Er ³⁺ の遷移 、 それぞれ。図3aに示すように、Tm ³⁺ を追加 イオンと濃度が増加すると、509 nmの発光が消え、542 nmの波長強度が最初に減少し、その後、変化は明らかではありません。その間、660 nmの波長は最初に増加し、次に減少します。 542nmの波長と600nmの波長の強度の間の相対的な変化を明確に示すために、赤と緑の強度の比率を図3bに示します。赤と緑の強度比が最初に増加し、次にTm ³⁺ で特定の範囲の浮き沈みを維持します イオン濃度が増加しました。図3a、bと組み合わせて、異なる波長の発光強度はTm ³⁺ で変化しました。 イオンドーピング、ピークの位置は変更されません。したがって、Tm ³⁺ イオンは、Er ³⁺ の発光を変更する効果があります ドープされたNaGdF ₄ ガラスセラミック。

（ a ）発光スペクトルと（ b ）1％Er3 +、x％Tm3 +を共ドープしたNaGdF4（ x ）の赤と緑の強度比 =0、0.05、0.1、0.15、0.2）

Tm ³⁺ を分析するため 修正された発光、エネルギー準位図、およびフォトルミネッセンスメカニズムを図4に示します。Er ³⁺ シングルドープNaGdF ₄ 、509 nm、542 nm（緑）、および660 nm（赤）の発光バンドが ² からの遷移を通じて観察されます。 H _9/2 、 ⁴ S _3/2 および ⁴ F _9/2 ⁴ の状態 I _15/2 それぞれ状態。 Er ³⁺ を共ドーピングする およびTm ³⁺ NaGdF ₄ のイオン 、980 nmの励起下では、980 nmの光子を吸収すると、Er ³⁺ が直接励起されます。 地面からのイオン ⁴ I _15/2 励起されたステーションへの状態 ⁴ I _11/2 基底状態吸収（GSA）プロセスによる状態。次に、Er ^{3+ 4} のイオン I _11/2 状態は上位ステーションに昇格します ⁴ F _7/2 励起状態吸収（ESA）による状態。 ⁴ からの一連の非放射性緩和（NR）の後 I _7/2 、542 nm（緑）、660 nm（赤）の発光バンドが ⁴ からの遷移で観察されます。 S _3/2 および ⁴ F _9/2 ⁴ の状態 I _15/2 それぞれ状態。また、Er ³⁺ からのエネルギー移動（ET）により、緑色の発光が減少します。 〜Tm ³⁺ （5、図4）：Er ³⁺ （ ⁴ S _3/2 ）+ Tm ³⁺ （ ³ H ₆ ）→Er ³⁺ （ ⁴ I _9/2 ）+ Tm ³⁺ （ ³ F ₄ ）[29]。対照的に、 ⁴ の人口 F _9/2 レベルは、次のETプロセスに基づいています（6、図4）：Er ³⁺ （ ⁴ I _11/2 ）+ Tm ³⁺ （ ³ F ₄ ）→Er ³⁺ （ ⁴ F _9/2 ）+ Tm ³⁺ （ ³ H ₆ ）、すでに確認されている[25、30]。 660 nmの発光増強には、Er ³⁺ という2つの重要なエネルギーレベルがあります。 （ ⁴ I _11/2 ）およびTm ³⁺ （ ³ F ₄ ）; Er ³⁺ の人口 （ ⁴ I _11/2 ）Er ³⁺ からのNRプロセスを介して （ ⁴ I _9/2 ）;ただし、Tm ³⁺ （ ³ F ₄ ）入力されるのは、3種類のETを介する場合があります。最初の（ET1、図4）はEr ³⁺ です。 （ ⁴ I _13/2 ）→Tm ³⁺ （ ³ F ₄ ）; 2番目（ET2、図4）はEr ³⁺ （I _11/2 ）→Tm ³⁺ （ ³ H ₅ ） ³ からの後続のNR H ₅ （Tm ³⁺ ）から ³ F ₄ （Tm ³⁺ ）; 3つ目は、前述のグリーン排出人口減少のエネルギー伝達です：Er ³⁺ （ ⁴ S _3/2 ）+ Tm ³⁺ （ ³ H ₆ ）→Er ³⁺ （ ⁴ I _9/2 ）+ Tm ³⁺ （ ³ F ₄ ）。イチジクと組み合わせる。 3aおよび4では、Tm ³⁺ によって緑色の発光が大幅に減少しました。 ドープされたイオン; Er ³⁺ のET （ ⁴ S _3/2 ）+ Tm ³⁺ （ ³ H ₆ ）→Er ³⁺ （ ⁴ I _9/2 ）+ Tm ³⁺ （ ³ F ₄ ）Tm ³⁺ の人口を支配する可能性があります （ ³ F ₄ ）。そして、赤い発光は大きなTm ³⁺ で消光されます。 集中。それはET（ET3、図4）に帰することができます： ⁴ F _9/2 （Er ³⁺ ）→ ³ F ₂ （Tm ³⁺ ）。 ³⁰ 上記の分析と組み合わせると、Er ³⁺ のエネルギー伝達を分割できます。 -Tm ³⁺ 発光システムは2つの部分に分かれています：（a）励起状態 ⁴ I _11/2 基底状態の吸収から励起状態の吸収を経てより高いステーションへの状態 ⁴ F _7/2 Er ³⁺ による状態 、 ⁴ からの最終的に非放射緩和を介して I _7/2 、542 nm（緑）、660 nm（赤）の発光バンドが観察されます。 （b）赤色発光の人口と緑色発光の過疎化は、エネルギーループEr ³⁺ に起因する可能性があります。 （ ⁴ S _3/2 ）→Er ³⁺ （ ⁴ I _9/2 ）→Er ³⁺ （ ⁴ I _11/2 ）→Tm ³⁺ （ ³ F ₄ ）→Er ³⁺ （ ⁴ F _9/2 ）、Tm ³⁺ の修正された発光を実装します イオン。

NGF3のUCメカニズムを示すエネルギー準位図

Er ³⁺ の509、529、542、660、および805nmでの発光に基づく温度検知特性 シングルドープ（NGF1）およびEr ³⁺ の529、542、および660nmでの発光 -Tm ³⁺ -共ドープされたNaGdF ₄ ガラスセラミック（NGF3）を図5に示します。温度範囲は、それぞれ298〜573Kです。約529nmと542nmの2つの緑色のアップコンバージョンエミッションバンドは、 ² に対応します。 H _11/2 → ⁴ I _15/2 および ⁴ S _3/2 → ⁴ I _15/2 Er ³⁺ の遷移 、 それぞれ。 509、660、および805 nmの放射は、 ² に対応します。 H _9/2 → ⁴ I _15/2 、 ⁴ F _9/2 → ⁴ I _15/2 および ⁴ I _9/2 → ⁴ I _15/2 Er ³⁺ の遷移 、 それぞれ。温度が上がると、 ⁴ の発光強度がわかります。 S _3/2 レベルが著しく低下します。 ² H _11/2 レベルは ⁴ から入力することもできます S _3/2 高温での熱集団と過疎化による熱励起によるレベル[31]。 「熱的に結合された」 ² の相対的な母集団 H _11/2 および ⁴ S _3/2 レベルは、すでに確認されているボルツマン型の人口分布に従い[32、33]、 ² の遷移に変動をもたらします。 H _11/2 → ⁴ I _15/2 および ⁴ S _3/2 → ⁴ I _15/2 Er ³⁺ の 高温で。

（ a のUC発光スペクトル ）NGF1および（ b ）さまざまな温度で200〜900nmの波長範囲のNGF3

熱消光比（ R _Q ）は、発光消光に対する温度の影響を評価するための重要なパラメータです[16]。 R _Q 温度変化に伴う発光帯域の変化は次のように定義されます：

ここで、私 _T は異なる温度での発光強度です T 、および I ₀ は室温での発光強度です。 R の値 _Q NGF1およびNGF3の409、529、542、660、および805 nmの放射は、図6に66.8および322.4 mW / cm ² で示されています。 励起パワー。図6aでは、温度が上昇すると、 R の値が _Q 529nmの発光強度は542nmの値よりもゆっくりと成長します。つまり、529nmの発光強度は529nmの発光強度よりもゆっくりと減少します。図6bでは、温度の上昇とともに異なる傾向を示しています。 R の値 _Q 542 nmでは、発光バンドは温度の上昇とともに増加します。反対に、 R の値 _Q 529 nmの発光帯域のは、いくつかの負の値を示し、最初に減少し、次に温度の上昇とともに増加します。これは、 ² を意味します。 H _11/2 状態は高温で熱的に生成されます[34]。図6aでは、 R の値 _Q 409 nmの場合、温度が急速に上昇すると放出が増加します。 660 nmでの図6a、bと比較すると、Tm ³⁺ を追加することでそれを覆すことができます。 イオン、 R _Q 比較的大きな正の値になります。これは、Er ³⁺ を意味します。 -Tm ³⁺ -共ドープされたNaGdF ₄ 660 nmでは、温度による発光が大幅に変化しました。図6aの温度の上昇と励起パワーの低下により、800 nmの発光強度を大幅に高めることができますが、Er ³⁺ には現れません。 -Tm ³⁺ -共ドープされたNaGdF ₄ 。

熱消光比（ R Q）の（ a ）NGF1、（ b ）低66.8 mW / cm ² のNGF3 励起パワーおよび高322.4mW / cm ² 励起パワー

Er ³⁺ の緑色発光と赤色発光の起源を探る 高温でのイオン、UC発光強度の関係 I およびレーザー光強度 P 次のように表されます：

ここで私 は発光強度、 P は入射ポンプパワーであり、 n は、アップコンバージョンプロセスで吸収されたポンプ光子の数です[35]。図7は、NGF3のさまざまな温度での緑と赤のアップコンバージョン強度とポンピングパワーの両対数プロットを示しています。 542nmと660nmの放射の適合線の傾きは、298Kと573Kの2つの温度ポイント、およびすべての n の値でほとんど変化しません。 2未満で1より大きいことは、524および660 nmの放出が、高温または低温に関係なく、2光子アップコンバージョンプロセスから発生することを示しています。

（ a の強度とポンピングパワーの両対数プロット ）542 nm、（ b ）NGF3の298および573Kで660nmの発光

要約すると、2つの隣接するエネルギーレベル、上部の ² H _11/2 レベルと下位の ⁴ S _3/2 、は温度上昇に伴って比較的変化する可能性があり、これはボルツマン分布の法則に適合しており、熱的に結合されたレベルとして使用できます[36]。 [16]と[23]の理論によると、 ² の人口比率 H _11/2 ⁴ へ S _3/2 Er ³⁺ の熱結合レベルから は次のように定義されます：

ここで A 実験システムと固有の分光パラメータに依存するフィッティング定数です。 △ E 熱的に結合されたレベル間のフィッティングエネルギー差です。 K _B ボルツマン定数です。 T は絶対温度です。 I 間の発光強度比 _U および私 _L 温度上昇に伴い定期的に変化します。発光強度比と温度の間の関数関係は、異なる温度でいくつかのデータポイントをフィッティングすることによって決定できます。 ² 間の温度依存蛍光強度比 H _11/2 および ⁴ S _3/2 Er ³⁺ の 298〜573 KのNGF1およびNGF3サンプルを、異なる励起電力で図8に示します。実験データは式（1）で近似されます。 （3）。フィッティングが実験データとよく一致していることが観察できます。 R の曲線値 NGF1かNGF3かにかかわらず、励起パワーに依存します。これは、 ² の結合レベルの蛍光強度比を意味します。 H _11/2 および ⁴ S _3/2 Er ³⁺ のポンピングパワーの影響を受けやすい シングルドープおよびEr ³⁺ -Tm ³⁺ -共ドープされたNaGdF ₄ ガラスセラミック。図8bと図8aを比較すると、同じ励起パワーの下で、カーブマッチング式が同じではないことがわかります。これは、 ² の母集団比を示唆しています。 H _11/2 ⁴ へ S _3/2 ドープされたTm ³⁺ の後に変更されました イオン。

（ a 上の2H11 / 2 / 4S3 / 2の励起パワー依存発光強度比ガラスセラミック ）NGF1および（ b ）NGF3

NGF1とNGF3の温度応答をさらに理解するには、センシング感度を調査することが重要です。光学温度計の感度は、 R の変化率です。 温度の変化に応じて[37、38]。相対感度 S _R 絶対感度 S _A 次のように定義されます：

ここで△ E 熱的に結合されたレベル間のエネルギー差、 K _B はボルツマン定数、 T は絶対温度であり、 R は、2つの熱結合レベル間の発光比です[39]。図9は、 S の曲線を示しています。 _R 異なる励起パワーの下での温度に依存するNGF1およびNGF3サンプルの分析。 2つのサンプルは、低励起での高感度を示しています。最大 S _R Er ³⁺ の値 ドープされたNaGdF ₄ 0.001 K ^-1 と推定されます 334 Kで、Er ³⁺ -Tm ³⁺ -共ドープされたNaGdF ₄ 最大の S があります _R 0.00081 K ^-1 の値 さらに、Tm ³⁺ をドープした後、感度ピークがより低い温度範囲にシフトすることは注目に値します。 イオン。

励起パワーに依存する相対感度 S （ a のR ）NGF1および（ b ）NGF3

図9から、NGF1とNGF3の適合線の傾きは、最初に増加し、次に0から2000 Kまでの温度範囲の増加とともにゆっくりと減少し、NGF1とNGF3が広範囲の温度を監視できることを示しています。 Tm ³⁺ を追加すると、はっきりとわかります。 イオン、最大感度、最大感度温度が変化します。温度で最大の感度を持つNGF1が約334Kであるのに対し、NGF3は約292KであるNGF1よりも低温で最大の感度を持っています。これはTm ³⁺ を意味します。 イオンは、感度と温度の測定範囲を変える可能性があります。また、322.4〜66.8 mW / cm ² の励起パワーでNGF1の蛍光強度比を使用して、334〜405Kの温度を測定することは非常に敏感です。 。これは、Er ³⁺ を意味します ドープされたNaGdF ₄ 中間温度測定に使用できます。図9bからわかるように、NGF3は約292 Kの低温で高感度を示します。アップコンバージョン希土類イオンをドープした光学温度材料のほとんどは、中温から高温で優れた感度を示すことがよく知られています。 [40,41,42]。室温付近での光学温度測定の報告はほとんどありません。したがって、NGF3は約20°Cの温度を監視するのに適しています。 S の値がわかります _R 基本的にNGF1では励起パワーの増加とともに減少しますが、NGF3では最初に励起パワーの増加とともに減少し、次に励起パワーの増加とともに増加します。最大の S _R 励起パワーが322.4mW / cm ² のときに表示されます 。さらに、励起パワーが増加するにつれて、最大感度付近の場所の温度がより低い温度範囲に近くなることが観察できます。したがって、NGF1とNGF3で一般的な規則を得ることができます。これらは、励起電力が増加するにつれて、低温環境での温度測定に対してより感度が高くなります。 NGF1には最大 S があるだけではありません _R NGF3よりも大きいが、 S の値もあります _R これは、NGF3よりも励起電力の増加に伴う通常のルールに対応しています。したがって、Er ³⁺ ドープされたNaGdF ₄ Er ³⁺ よりも光学温度センサーの候補として適しています。 -Tm ³⁺ -共ドープされたNaGdF ₄ 温度と励起パワーによって引き起こされる安定性を考慮することによって。式によると。 （4）、感度はエネルギー差（△ E ）熱的に結合されたレベル間。したがって、エネルギー差（△ E ）NGF1およびNGF3ガラスセラミックは、他のRE（希土類イオン）ドープ材料よりも大きいため、NGF1およびNGF3ガラスセラミックの感度が高くなります。光学温度測定用のさまざまな希土類イオンとの感度を比較するために、さまざまな希土類イオンの感度に関するレポートの一部を表1に示します。これは、Er ³⁺ の感度を示しています。 ドープされたNaGdF ₄ ガラスセラミックは、他の希土類イオンドープ材料よりも優れています。したがって、Er ³⁺ -共ドープされたNaGdF ₄ ガラスセラミックは、高性能光学温度測定の良い候補になります。

結論

要約すると、Er ³⁺ ドープされたNaGdF ₄ およびEr ³⁺ -Tm ³⁺ -共ドープされたNaGdF ₄ ガラスセラミックは、溶融急冷法とそれに続く加熱によって調製された。サンプルは、XRD、TEM、および発光スペクトル測定によって調査されました。 980 nmのレーザー励起下で、これらのガラスは可視領域で緑から赤の範囲の光を強く放出しました。 Tm ³⁺ を変えることにより、緑色から赤色に調整できる可視発光。 イオン濃度は、980nmの励起下で達成されます。一方、Er ³⁺ の発光強度 -ドープおよびEr ³⁺ -Tm ³⁺ -共ドープされた透明なNaGdF ₄ ガラスセラミックは温度に依存することがわかった。スペクトル構造、熱消光比、蛍光強度比、および熱結合レベルからの感度は、ポンプ出力の変化に強く依存することがわかりました。 Er ³⁺ の光学的温度検知 -ドープおよびEr ³⁺ -Tm ³⁺ -共ドープされたNaGdF ₄ 298〜573Kの範囲の温度で透明なガラスセラミックが研究されています。相対感度の最大値（ S _R ）は0.001 K ^-1 334 K、322.4 mW / mm ² 励起。そして、それはより低い温度範囲に向かってシフトし、0.00081 K ^-1 の最大値を持ちます。 Tm ³⁺ をドープした後の292Kで イオン。結果は、Er ³⁺ -ドープおよびEr ³⁺ -Tm ³⁺ -共ドープされたNaGdF ₄ 透明なガラスセラミックは、温度センサーの良い候補かもしれません。

略語

△E：

エネルギー差

ESA：

励起状態の吸収

ET：

エネルギー伝達

FIR：

蛍光強度比

GSA：

基底状態の吸収

HRTEM：

高分解能透過型電子顕微鏡

Ln ³⁺ ：

三価ランタニドイオン

NGF1：

0.6％Er ³⁺ ドープされたNaGdF ₄ ガラスセラミック

NGF2：

0.6％Er ³⁺ -0.05％Tm ³⁺ 共ドープされたNaGdF ₄ ガラスセラミック

NGF3：

0.6％Er ³⁺ -0.1％Tm ³⁺ 共ドープされたNaGdF ₄ ガラスセラミック

NGF4：

0.6％Er ³⁺ -0.15％Tm ³⁺ 共ドープされたNaGdF ₄ ガラスセラミック

NGF5：

0.6％Er ³⁺ -0.2％Tm ³⁺ 共ドープされたNaGdF ₄ ガラスセラミック

NR：

非放射性緩和

RE：

希土類イオン

R _Q ：

熱焼入れ比

S _A ：

絶対感度

S _R ：

相対感度

TEM：

透過型電子顕微鏡

UC：

アップコンバージョン

XRD：

X線回折