用于亚微米尺度温度传感的固体发光材料

Temperature is one of the most fundamental physical quantities in thermodynamics. The measurement of temperature is crucial in many scientific research and technology applications. Temperature sensor currently occupies a share close to 80% in the sensor realm. The traditional temperature measurement is based on the principle of liquid and metal expansion of the detect matter and thermal equilibrium. Detection based on this traditional approach has a limitation of spatial resolution of 10 microns or larger size, and the speed and accuracy of detection are often greatly hindered from improvement, due to the rather long time and heat redistribution required for reaching thermal equilibrium. Research demands in renewable energy, information technology and biomedical science prompt temperature detection and manipulation down to submicron scale. This project is aiming to explore luminescent materials with dramatic temperature dependence based on solid-state luminescent theory and by means of various approaches, so as to realize real-time temperature detection down to submicron scale with high space resolution, high temperature resolution and response. The feasibility will be demonstrated with proof-of-principle experiments. The fundamental questions, such as the meaning of the temperature at nanoscale and the backaction of the detection process on the submicron/nanomaeter system at classical and quantum level will also be studied, for the purpose of better characterization of the thermodynamics of these systems.

温度是基本的热力学物理量，其测量在科学研究和技术应用领域有极其重要的地位。在传感器领域，温度传感占据了接近80%的比例。传统的基于液体和金属膨胀等热接触式（侵入方式）温度探测通常只能满足10微米及以上尺度的探测要求，且探测速度和精度也因需达到热平衡和热量在探测对象和探测器之间的分配而受到很大的限制，难以进一步提升。微米、亚微米尺度的温度控制与温度测量日益成为可持续能源、信息技术和生物医学领域的科学研究与技术应用的需要。本项目旨在从固体发光的原理出发，多种途径寻找具有更剧烈的温度依赖发光特性的材料；对一些性能优异的材料根据亚微米测温的要求进行发光性质检测；实现一些优选的发光材料的纳米粒子合成、改性及测温实验，进而尝试进行生物活体细胞的温度实时探测。也针对微纳米尺度的系统的温度概念、温度的光探测方案对被测系统的反作用等基本物理问题进行研究，实现对亚微米及纳米尺度系统的更可靠的热力学表征。

从固体发光学的原理出发，采用多种途径探索了可用于（亚）微米尺度的、具有快速实时响应、高空间分辨率和温度分辨率的基于非热接触方式的温度探测的温度传感固体发光材料，并分析了温度探测过程对被探测对象的影响，从而提高基于发光特性进行温度探测的可靠性。取得的主要结果有以下几点：1）成功制备了高度一致的、单分散的、可用于温度传感的β-NaYF4: Sm3+ 纳米粒子。2）寻找到了高灵敏的温度传感材料SrB4O7: Sm2+，LiAl5O8:Cr3+，YPO4:Tb3+,Ho3+。3）探索了新型的温度探测方法：利用基态能级热耦合性质进行温度探测和利用荧光衰减寿命的上升沿来进行温度探测。4）实现了高空间分辨率的实时温度成像。5）研究了固体发光材料用于温度传感需要注意的加热效应问题。..研究成果主要以论文的形式发表。已正式发表SCI（EI）论文54 篇，其中很多是一区和二区的高水平论文。应邀为纪念徐光宪院士的专辑写了一篇题为“基于发光材料的温度探测新机制探索”综述文章，发表于《中国稀土学报》 2016年06期。项目负责人尹民教授应邀在第八届全国稀土发光材料学术研讨会暨国际会议（2014年11月11日至14日，昆明）作了题为“用于温度传感的固体发光材料”的邀请报告，在第六届全国掺杂纳米材料发光性质学术会议（2016年7月25日-27日，兰州），作了题为 “基于发光材料的温度探测新机制探索” 的邀请报告。