导读

高灵敏度，高准确率的温度计在工业界有着广泛需求。动态温度范围是为特定应用场景选择温度计的最重要考虑因素之一。近日，乌特勒支大学Meijerink教授与杜塞尔多夫海因里希-海涅大学M. Suta研究团队在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》上发表了题为“Extending the dynamic temperature range of Boltzmann thermometers”的文章，该文章实验探究了掺杂镧系元素Eu3+发光测温材料的性质，解释了材料测温的机制。并根据不同测温机制，提出了降低起始温度和扩大玻尔兹曼温度计动态温度范围的方法。这些发现不仅在科学上加深了对热平衡态的理解，而且为合理优化玻尔兹曼温度计提供了设计准则。

研究背景

温度计无论是在日常生活，还是在工业大规模生产中，都是极端重要的表征仪器。高精度、大测量范围的精密温度计在工业界有着紧迫的需求。在过去的二十年里，具有温度敏感性的发光材料陆续问世，这其中，掺有三价镧系（Ln3+）离子的晶体受到了极大关注。Ln3+离子不但具有非常窄的发射线，覆盖了电磁波谱的深紫外和近红外区域，而且发射光谱强烈地依赖于温度，这使得Ln3+掺杂的材料成为光学测温的有力候选。

通常来说，非接触式光学测温主要利用两条发射光谱间的强度比来测量温度。因为它是由待测物体和温度计内部的激发态之间的非辐射转换性质决定的，所以对实验环境的扰动不敏感。常规测温材料，由于热平衡的起始温度较高，所以动态温度窗口很窄，并不利于温度计的校准和测量。如何扩大玻尔兹曼平衡的温度窗口，以涵盖高精度温度传感的全部最佳窗口，是设计玻尔兹曼温度计的主要难点。

创新研究

文章研究团队研究了基质晶体和选择定则如何影响玻尔兹曼温度计的动态范围。首先，文章研究了Eu3+在不同基质晶格中的发光情况。结果如图1所示。可以看出，谱线发射强度随基质晶格的最大振动能量增加而减小。这与能隙定律相符合。其次，文章研究基质晶格的最大声子能量和热平衡起始温度的关系。如图2所示。可以看出在具有高振动能量的基质晶格中，声子发射速率较快，起始温度较低。因此起始温度是控制和优化玻尔兹曼温度计动态范围的一个重要参数。不同材料的归一化初始温度总结在了图3中。

图1：Eu3+的发光图。(a)Eu3+的能级图。（b）在室温下，各种掺有Eu3+的主晶格的发射光谱

图2：最大声子能量和热平衡起始温度的关系。（a）三种材料的发光衰减曲线。(b) 在不同温度下D1线的衰减率  (c) D1和D0线在不同温度下的强度比

图3：各种玻尔兹曼温度计的归一化起始温度

接着，文章讨论了镧系元素和配体的距离对固有的非辐射速率的影响。文章发现即使在一系列氟化物中，也有可能通过镧系元素-氟化物的距离来控制非辐射速率，并利用振动模式和Eu3+离子之间的能量传递的距离依赖性，将起始温度降低100 K以上。

最后，通过对比Eu3+和其他镧系元素的玻尔兹曼温度计进行比较，作者揭示了选择定则的重要性：电偶极跃迁（Eu3+）的非辐射率比磁偶极跃迁高三个数量级。这使得Eu3+材料相比其他镧系元素具有很强的优势，来制造高灵敏、易校准的温度计。值得注意的是，上述三种机制对应着三种降低起始温度和扩大玻尔兹曼温度计动态温度范围的方法，i）减少跃迁能隙所需的声子数量；ii）减少基质晶格内镧系配体的距离；iii）选择具有电偶极非辐射性转换耦合的激发态的温度计。所有上述方法都依赖于最大限度地提高发射能级之间的内在耦合率。

论文信息：

该研究成果以“Extending the dynamic temperature range of Boltzmann thermometers”为题在线发表在Light: Science & Applications。

T. P. van Swieten为文章的第一作者，M. Suta 和A. Meijerink教授为文章的共同通讯作者。

论文地址

‍https://www.nature.com/articles/s41377‍-022-0‍1028-8