CN116179196A - 一种高灵敏度光学测温材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高灵敏度的光学测温材料及其制备方法，属于发光材料制备应用技术领域。其化学式为AlN:1mol％Yb3+,x mol％Nd3+,其中0.5≤x≤4，通过等离子体直流电弧放电发制备了纯的发光材料。在980nm激光激发下，随着温度的变化，钕和镱双掺杂氮化铝上转换材料各个发射峰强度呈现有规律的变化，利用非热耦合能级荧光强度比得到该材料绝对温度灵敏度可达0.1293K‑1，相对温度灵敏度可达3.32％K‑1，非常适合应用于温度传感器。
Description
技术领域
本发明涉及高灵敏度光学测温用发光材料领域，涉及一种具有高灵敏度适用于高温环境的光学测温材料及其制备方法。
背景技术
近年来，基于稀土离子掺杂的发光材料光学温度传感器受到了广泛的关注。荧光强度比方法是最常用的测量温度的方法，它有自引用和可忽略的信号漂移等优点。荧光强度比的工作原理是测量两种不同发射之间的相对强度比，而不是单一发射引起的绝对强度，因此消除了激发功率、掺杂浓度等外部因素造成的测量干扰。先前报道的最典型的荧光强度比技术是基于镧系离子的热耦合能级进行的。然而，应用热耦合能级的测量方法在最高可测量温度、灵敏度和稳定性方面存在一些固有的局限性。此外，具有适当热耦合能级的镧系离子的数量是有限的。因此，基于发光材料的非热耦合能级荧光强度比作为一种很有前途的光学测温材料(方法)引起了广泛的关注。
在各种稀土离子中，Nd3+是光学测温、生物成像、压力传感和发光等领域中最有应用价值的稀土离子之一。Nd3+离子的近红外发射强度随温度的升高而增大，有利于发光强度的检测，从而有利于采用荧光强度比法进行光学测温的应用。Nd的4F3/2能级和Yb的2F7/2能级之间存在的能级差较小，这使得通过声子辅助很容易将能量从Yb转移到Nd，所以，许多光学测温材料选用Nd和Yb作为稀土掺杂离子。然而，大多数宿主材料在高温高热以及其他恶劣环境下具有局限性，因此，导热性高、机械强度强、热稳定性和化学稳定优异的AlN成为光学温度计有前途和发展前景的宿主材料。
此外，目前还未有Nd和Yb共掺杂AlN上转换材料应用于光学温度传感器中的相关报导。
为了解决上述问题，本专利致力于制备高灵敏度，适用于高温环境的Nd和Yb共同掺杂AlN材料，并采用非热耦合能级进行荧光强度比的光学测温法，一方面保证材料具有很高的灵敏度，另一方面实现材料应用于高温高热环境的可行性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种高灵敏度适用于高温环境的光学测温材料及其制备方法，该材料对温度的灵敏度有显著的提高，可以用于精密测量领域的使用，并且结构简单，制备方法简单易行，安全环保。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高灵敏度光学测温材料，其化学组成式为AlN:1mol％Yb3+,x mol％Nd3+,其中x为掺杂离子Nd3+相对金属铝粉所占的摩尔百分比系数，0.5≤x≤4。
上述高灵敏度光学测温材料的制备方法，钕掺杂浓度不同，其特征在于：
(1)0.5≤x≤1时，500～700nm波长范围的发射峰发光强度较弱，700～900nm波长范围的发射峰发光强度较强，整体发光强度较弱；
(2)1＜x≤2时，500～700nm波长范围的发射峰发光强度较弱，700～900nm波长范围的发射峰发光强度较强，相对于(1)浓度掺杂的样品整体发光强度增强；
(3)2＜x≤4时，500～700nm波长范围的发射峰发光强度显著增强，700～900nm波长范围的发射峰发光强度相对减弱，在x＝4时增长变化达到最大。
(4)x＞4时，XRD谱图出现杂峰，样品不纯。
上述高灵敏度光学测温材料的制备方法，其特征包括如下步骤：
(1)将铝粉、氧化钕和氧化镱粉末混合均匀后放入压片模具中压制成锭，制得的锭放置在位于直流电弧放电装置反应室内的石墨埚中；
(2)向反应室内多次通入足量氮气以去除反应装置内的氧气和水，且用于反应生成氮化铝；
(3)进行放电，放电条件为：电压范围18～20V，电流90～100A，反应时间5～6min；
(4)再次充入氮气进行钝化，在石墨埚中收集到钕和镱共掺杂氮化铝纳米棒。
基于钕和镱共掺杂氮化铝上转换发光的荧光强度比用于高灵敏度大范围温度探测的方法，其特征在于：稀土钕离子非热耦合能级4G9/2,4G7/2→4I9/2和4F5/2/2H9/2→4I9/2的荧光强度比值R与温度T呈定量关系：
其中c1和c2表示常数，T表示绝对温度。
一种高温度灵敏度光学测温材料，其特征在于，采用荧光强度比方法得到绝对灵敏度最高数值为0.1293K-1，相对温度灵敏度可达3.32％K-1，远远超出其他稀土掺杂光学测温材料。
优点及效果：
1.本发明所述方法制备过程不需要使用模板或催化剂，制备成本低，操作简单易行，安全环保。
2.本发明所述高灵敏度测温材料适用于高温环境。
3.本发明所述光学测温材料在980nm波长的光激发条件下，随着温度升高，Nd3+的非热耦合能级荧光强度比可作为测温参数，绝对灵敏度最高数值为0.1293K-1，相对灵敏度可达3.32％K-1，远远高于其他稀土掺杂材料的灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
图1是本发明方法中所使用的反应装置的结构示意图；
图2是实施例1制备的AlN:1mol％Yb3+,1mol％Nd3+的XRD谱图；
图3是实施例1制备的AlN:1mol％Yb3+,1mol％Nd3+的PL谱图；
图4是实施例2制备的AlN:1mol％Yb3+,2mol％Nd3+的XRD谱图；
图5是实施例2制备的AlN:1mol％Yb3+,2mol％Nd3+的PL谱图；
图6是实施例3制备的AlN:1mol％Yb3+,3mol％Nd3+的XRD谱图；
图7是实施例3制备的AlN:1mol％Yb3+,3mol％Nd3+的PL谱图；
图8是实施例4制备的AlN:1mol％Yb3+,4mol％Nd3+的XRD谱图；
图9是实施例4制备的AlN:1mol％Yb3+,4mol％Nd3+的SEM谱图；
图10是实施例4制备的AlN:1mol％Yb3+,4mol％Nd3+的XPS谱图；
图11是实施例4制备的AlN:1mol％Yb3+,4mol％Nd3+的PL谱图；
图12是实施例4制备的AlN:1mol％Yb3+,4mol％Nd3+的变温发光谱图；
图13是实施例4制备的AlN:1mol％Yb3+,4mol％Nd3+的荧光强度比的实验和拟合数据谱图；
图14是实施例4制备的AlN:1mol％Yb3+,4mol％Nd3+的相对(绝对)温度灵敏度谱图；
图15是实施例4制备的AlN:1mol％Yb3+,4mol％Nd3+的CIE色坐标。
图16是实施例5制备的AlN:1mol％Yb3+,5mol％Nd3+的XRD谱图；
图1中：1、反应室；2、冷凝壁；3、钨阴极；4、反应原料；5、石墨埚阳极；6、铜座(包含进水口和出水口)；7、进气口；8、放气口；9、冷凝壁进水口；10、冷凝壁出水口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
图1是本发明方法中所使用的反应装置的结构示意图。
如图1所示，反应室1罩在冷凝壁2、钨杆阴极3以及石墨埚阳极5外，其中石墨埚阳极5与钨杆阴极3相对一侧填充有反应原料4，通过控制铜座6的升降使石墨埚阳极5和钨杆阴极3之间起弧。为了保证反应产物的顺利凝结，在石墨埚阳极5和冷凝壁2处通入循环冷却水，其中铜座6既是进水口又是出水口，冷凝壁2通过进水口9和出水口10进行冷却水循环。在反应开始前和结束后，都需要从进气口7和放气口8通入反应气体，起到洗气、冲入反应气体和钝化的作用。最后在石墨埚阳极5处得到产物。
实施例1
如图2-3所示，本实施例制备了AlN:1mol％Yb3+,1mol％Nd3+纳米棒，材料制备过程如下：
将铝粉、氧化钕和氧化镱粉末按100：1：1混合均匀后放入压片模具中压制成直径1.8cm，高2cm的锭4，制得的锭4放置在位于直流电弧放电装置反应室内的石墨埚5中，并将钨杆阴极3固定在反应原料4上方一定距离处；将反应室1抽至真空后，向反应室1内多次充放氮气以去除反应装置内的氧气和水，之后充入40kPa氮气用作反应气体；打开循环水装置，从铜座6和冷凝壁2处通入冷却水；调节铜座6高度，使石墨埚5与钨杆3接触瞬间拉开起弧进行放电(产生电弧)。在放电(反应)过程中保持电压为20V，电流为100A，反应时间为6min。在石墨埚内与钨杆接触边缘部分收集反应产物并对其进行研磨，即为钕和镱共掺杂氮化铝纳米棒。
图2的XRD谱图中可以看出AlN:1mol％Yb3+,1mol％Nd3+所有衍射峰均与AlN的六边(方)纤锌矿结构对应，在XRD谱图中未检测到其他与Nd和Yb相关的晶相，表明样品纯度很高。
图3的PL光谱可以看出，以544nm、595nm、657nm和755nm为中心的发射峰发射强度较弱，分别对应Nd3+的4G9/2,4G7/2→4I9/2,4G9/2,4G7/2→4I11/2/2G7/2,4G5/2→4I9/2,4G9/2,4G7/2→4I13/2/2G7/2,4G5/2→4I11/2和4F7/2,4S3/2→4I9/2跃迁。以806nm为中心的发射峰发射强度较强，对应Nd3+的4F5/2,2H9/2→4I9/2跃迁。
实施例2
如图4-5所示，本实施例制备了AlN:1mol％Yb3+,2mol％Nd3+纳米棒，材料制备过程如下：
将铝粉、氧化钕和氧化镱粉末按100：1(2)：2(1)混合均匀后放入压片模具中压制成直径1.8cm，高2cm的锭4，制得的锭4放置在位于直流电弧放电装置反应室内的石墨埚5中，并将钨杆阴极3固定在反应原料4上方一定距离处；将反应室1抽至真空后，向反应室1内多次充放氮气以去除反应装置内的氧气和水，之后充入40kPa氮气用作反应气体；打开循环水装置，从铜座6和冷凝壁2处通入冷却水；调节铜座6高度，使石墨埚5与钨杆3接触瞬间拉开产生电弧。在反应过程中保持电压为20V，电流为100A，反应时间为6min。在石墨埚内与钨杆接触边缘部分收集反应产物并对其进行研磨，即为钕和镱共掺杂氮化铝纳米棒。
图4的XRD谱图中可以看出AlN:1mol％Yb3+,2mol％Nd3+所有衍射峰均与AlN的六方纤锌矿结构对应，在XRD谱图中未检测到其他与Nd和Yb相关的晶相，表明样品纯度很高。
图5的PL光谱可以看出，以544nm、595nm、657nm和755nm为中心的发射峰发射强度较弱，分别对应Nd3+的4G9/2,4G7/2→4I9/2，4G9/2,4G7/2→4I11/2/2G7/2,4G5/2→4I9/2，4G9/2,4G7/2→4I13/2/2G7/2,4G5/2→4I11/2和4F7/2,4S3/2→4I9/2跃迁。以806nm为中心的发射峰发射强度较强，对应Nd3+的4F5/2,2H9/2→4I9/2跃迁。与实施例1的PL光谱相比，实施例2的PL光谱中各个峰的发光强度均增强。
实施例3
如图6-7所示，本实施例制备了AlN:1mol％Yb3+,3mol％Nd3+纳米棒，材料制备过程如下：
将铝粉、氧化钕和氧化镱粉末按100：3：1混合均匀后放入压片模具中压制成直径1.8cm，高2cm的锭4，制得的锭4放置在位于直流电弧放电装置反应室内的石墨埚5中，并将钨杆阴极3固定在反应原料4上方一定距离处；将反应室1抽至真空后，向反应室1内多次充放氮气以去除反应装置内的氧气和水，之后充入40kPa氮气用作反应气体；打开循环水装置，从铜座6和冷凝壁2处通入冷却水；调节铜座6高度，使石墨埚5与钨杆3接触瞬间拉开产生电弧。在反应过程中保持电压为20V，电流为100A，反应时间为6min。在石墨埚内与钨杆接触边缘部分收集反应产物并对其进行研磨，即为钕和镱共掺杂氮化铝纳米棒。
图6的XRD谱图中可以看出AlN:1mol％Yb3+,3mol％Nd3+所有衍射峰均与AlN的六方纤锌矿结构对应，在XRD谱图中未检测到其他与Nd和Yb相关的晶相，表明样品纯度很高。
图7的PL光谱可以看出，与Nd3+掺杂浓度为2mol％的实施例2相比，本实施例中以544nm、595nm和657nm为中心的发射峰发射强度有所增强，别对应Nd3+的4G9/2,4G7/2→4I9/2，4G9/2,4G7/2→4I11/2/2G7/2,4G5/2→4I9/2和4G9/2,4G7/2→4I13/2/2G7/2,4G5/2→4I11/2跃迁。以755nm和806nm为中心的发射峰发射强度相对减弱，对应Nd3+的4F7/2,4S3/2→4I9/2和4F5/2,2H9/2→4I9/2跃迁。
实施例4
如图8-15所示，本实施例制备了AlN:1mol％Yb3+,4mol％Nd3+纳米棒，并利用荧光强度比技术得到了高灵敏度的光学测温方法，材料制备过程如下：
将铝粉、氧化钕和氧化镱粉末按100：4：1混合均匀后放入压片模具中压制成直径1.8cm，高2cm的锭4，制得的锭4放置在位于直流电弧放电装置反应室内的石墨埚5中，并将钨杆阴极3固定在反应原料4上方一定距离处；将反应室1抽至真空后，向反应室1内多次充放氮气以去除反应装置内的氧气和水，之后充入40kPa氮气用作反应气体。打开循环水装置，从铜座6和冷凝壁2处通入冷却水；调节铜座6高度，使石墨埚5与钨杆3接触瞬间拉开产生电弧，在反应过程中保持电压为20V，电流为100A，反应时间为6min。在石墨埚与钨杆接触边缘部分收集反应产物并对其进行研磨，即为钕和镱共掺杂氮化铝纳米棒。
图8的XRD谱图中可以看出AlN:1mol％Yb3+,4mol％Nd3+所有衍射峰均与AlN的六方纤锌矿结构对应，在XRD谱图中未检测到其他与Nd和Yb相关的晶相，表明样品纯度很高。
图9的SEM谱图可以看出AlN:1mol％Yb3+,4mol％Nd3+的微观形貌是几十微米长的纳米棒，其横截面为长300nm，宽170nm的矩形。
图10的XPS能谱分析可得，位于73.5eV和396.4eV的特征结合能峰对应Al和N的结合能数据，位于977.3eV和1000.2eV左右的特征结合能峰对应于Nd的3d5/2和3d3/2电子组态，位于184.8eV的特征结合能峰证明了Yb 4d的存在。进一步说明Nd3+和Yb3+成功掺入AlN。
图11的PL光谱可以看出，与实施例2相比，以544nm、595nm和657nm为中心的发射峰发射强度显著增强，分别对应Nd3+的4G9/2,4G7/2→4I9/2，4G9/2,4G7/2→4I11/2/2G7/2,4G5/2→4I9/2和4G9/2,4G7/2→4I13/2/2G7/2,4G5/2→4I11/2。以755nm和806nm为中心的发射峰发射强度明显变弱，对应Nd3+的4F7/2,4S3/2→4I9/2和4F5/2,2H9/2→4I9/2跃迁。
图12的变温发光光谱分析可知，位于544nm、595nm和657nm波长的上转换发光随着温度升高发光峰位没有明显改变但发光强度减弱，以755nm和806nm为中心的上转换发光随着温度升高发光强度增强。
图13为实施例4所制备的AlN:1mol％Yb3+,4mol％Nd3+荧光强度比实验和拟合数据谱图，如图所示，在298～503K的范围内，806nm和544nm波长发光荧光强度比值与拟合曲线相符，所拟合的方程为：
图14为实施例4所制备的AlN:1mol％Yb3+,4mol％Nd3+材料的温度灵敏度图。如图所示，在298～503K的范围内，随着温度的上升，绝对灵敏度不断提高，503K时，达到最高数值为0.1293K-1，相对温度灵敏度在298K处有最大值为3.32％K-1，远远超出其他稀土掺杂光学测温材料。
图15为实施例4所制备的AlN:1mol％Yb3+,4mol％Nd3+的CIE色坐标谱图。在980nm波长光激发下，随着测试温度由298K升高至503K，该荧光材料的发光颜色由绿光转变为黄绿光，对应色坐标由(0.3492,0.6315)转变至(0.419,0.564)。
实施例5
如图16所示，本实施例制备了AlN:1mol％Yb3+,5mol％Nd3+，材料制备过程如下：
将铝粉、氧化钕和氧化镱粉末按100：5：1混合均匀后放入压片模具中压制成直径1.8cm，高2cm的锭4，制得的锭4放置在位于直流电弧放电装置反应室内的石墨埚5中，并将钨杆阴极3固定在反应原料4上方一定距离处；将反应室1抽至真空后，向反应室1内多次充放氮气以去除反应装置内的氧气和水，之后充入40kPa氮气用作反应气体；打开循环水装置，从铜座6和冷凝壁2处通入冷却水；调节铜座6高度，使石墨埚5与钨杆3接触瞬间拉开产生电弧。在反应过程中保持电压为20V，电流为100A，反应时间为6min。在石墨埚内与钨杆接触边缘部分收集反应产物并对其进行研磨，即为钕和镱共掺杂氮化铝纳米棒。
图16的XRD谱图中可以看出AlN:1mol％Yb3+,5mol％Nd3+的衍射峰与纯AlN的衍射峰相比，存在其他杂质峰，说明样品不纯，稀土掺杂浓度偏高。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
Claims (3)
1.一种高灵敏度光学测温材料，其化学组成式为AlN:1mol％Yb3+,xmol％Nd3+,其中x为掺杂离子Nd3+相对金属铝粉所占的摩尔百分比系数，x的取值范围0.5≤x≤4。
2.权利要求1所述的高灵敏度光学测温材料的制备方法，其特征包括如下步骤：
(1)将铝粉、氧化钕和氧化镱粉末混合均匀后放入压片模具中压制成锭，制得的锭放置在位于直流电弧放电装置反应室内的石墨埚中；
(2)向反应室内多次通入足量氮气以去除反应装置内的氧气和水，且用于反应生成氮化铝；
(3)进行放电；所述的放电条件为：电压范围18～20V，电流90～100A，反应时间5～6min。
(4)再次充入氮气进行钝化，在石墨埚中收集到钕和镱共掺杂氮化铝纳米棒。
3.基于钕和镱共掺杂氮化铝上转换发光的荧光强度比用于高灵敏度大范围温度探测的方法，其特征在于：采用稀土钕离子的非热耦合能级4G9/2,4G7/2→4I9/2和4F5/2/2H9/2→4I9/2的荧光强度比值R与温度T呈定量关系：
其中c1和c2表示常数，T表示绝对温度。/>
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| CN108408699A (zh) * | 2018-04-19 | 2018-08-17 | 渤海大学 | 一种三价镝掺杂氮化铝纳米材料的制备方法 |
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- 2023-03-07 CN CN202310206760.7A patent/CN116179196B/zh active Active
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| CN108408699A (zh) * | 2018-04-19 | 2018-08-17 | 渤海大学 | 一种三价镝掺杂氮化铝纳米材料的制备方法 |
| CN109775672A (zh) * | 2019-03-27 | 2019-05-21 | 吉林大学 | 一种Mn2+掺杂AlN纳米线的制备方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| GRACE D. METCALFE ET AL.: "Near-infrared photoluminescence properties of neodymium in in situ doped AlN grown using plasma-assisted molecular beam epitaxy", 《OPTICAL MATERIALS EXPRESS》, vol. 1, no. 1, pages 84 - 90 * |
| JIAQI WANG ET AL.: "Preparation and up-conversion luminescence of three-dimensional Er3+/Yb3+ co-doped AlN nanowire networks", 《MATERIALS SCIENCE IN SEMICONDUCTOR PROCESSING》, vol. 153, pages 1 - 6 * |
| YUE LIANG ET AL.: "Multi-function up-conversion luminescent Bi4Ti3O12 nanoparticles sensitized by Nd3+ and Yb3+", 《OPTICAL MATERIALS》, vol. 109, pages 1 - 8 * |
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