近日，蘭州大學材料與能源學院王育華教授課題組在溫度傳感用發(fā)光材料領域取得了新進展。相關研究成果以“Luminescence Thermometry via MultiParameter Sensing in YV1-xPxO4:Eu3+, Er3+”為題于2025年4月4日發(fā)表在《Journal of the American Chemical Society》。蘭州大學材料與能源學院博士生馬一璇為論文第一作者，王育華教授和荷蘭皇家科學院院士、蘭州大學兼職教授Andries Meijerink為通訊作者。該項研究工作得到了國家自然科學基金資助。

發(fā)光測溫是一種通過利用溫度依賴性發(fā)光特性實現(xiàn)遠程溫度傳感的技術?；趦蓚€熱耦合發(fā)射能級的鑭系摻雜發(fā)光材料，其發(fā)光強度比（LIR）隨溫度變化的特性已被成功用于設計高靈敏度發(fā)光溫度計。然而，鑭系元素4fn→4fn禁戒躍遷的低吸收強度限制了材料亮度，且此類玻爾茲曼型溫度計僅在有限溫區(qū)對溫度敏感。為解決上述問題，該團隊設計了一種新型發(fā)光溫度探針：YV1-xPxO4:Eu3+, Er3+。該體系通過釩酸鹽的強寬帶電荷轉(zhuǎn)移吸收敏化鑭系離子發(fā)光，并利用磷酸鹽/釩酸鹽取代（x的變化）調(diào)控Eu3+發(fā)光的熱猝滅溫度，成功實現(xiàn)可調(diào)的寬范圍最佳測溫區(qū)間。通過多參數(shù)傳感策略，該材料在室溫至873K寬溫域內(nèi)展現(xiàn)出0.5%/K至超過5%/K的可調(diào)相對靈敏度。為驗證實際應用價值，研究團隊將其用于芯片原位溫度檢測，測溫精度優(yōu)于1K，充分證明其在精確溫度領域的應用潛力。

多參數(shù)傳感發(fā)光探針YV??xPx0?：Eu3+，Er3+概述圖

溫度傳感在各領域具有基礎且廣泛的應用價值，從監(jiān)測人體體溫異常等日常應用，到工業(yè)設備中的化學反應調(diào)控、電子設備熱管理等專業(yè)領域均有涉及。近年來，基于鑭系離子溫度依賴性發(fā)光特性的遠程光學測溫技術發(fā)展迅速，對其靈敏度和測溫精度提出了更高要求。隨著催化反應監(jiān)測、微流控芯片熱管理及高功率器件熱分析等領域的發(fā)展，開發(fā)適用于高溫環(huán)境（T400 K）的新型溫度探針以實現(xiàn)高分辨率遠程溫度傳感，已成為當前研究熱點。

實現(xiàn)寬溫域穩(wěn)定且靈敏的溫度檢測至關重要?；趦蓚€熱耦合能級發(fā)光強度比(LIR)的測溫方法因其具有高相對靈敏度Sr、自校準特性，以及對局部環(huán)境變化不（非完全）敏感等優(yōu)勢備受關注。然而，這類探針的高Sr溫度范圍有限，且在高溫區(qū)靈敏度急劇下降，嚴重制約其在寬溫域過程監(jiān)測中的應用。此外，多數(shù)鑭系玻爾茲曼溫度探針的激發(fā)過程涉及宇稱禁阻的4fn→4fn躍遷，其弱吸收特性導致納米探針亮度受限。特別是在需要短采集時間（如高分辨率溫度成像）、低激發(fā)強度或弱發(fā)射收集效率的應用場景中，高亮度納米探針對獲得理想溫度精度至關重要。

圖 (a-c) 芯片原位溫度檢測示意圖。(d) 使用 YVO4:2%Er3+,1%Eu3+納米發(fā)光溫度計涂覆于芯片表面在310nm激發(fā)下隨溫度變化的發(fā)射光譜。(e) 實時監(jiān)測的實際溫度 (TR) 曲線、變溫裝置的設定溫度 (TS) 曲線，以及根據(jù) Er3+ 2H11/2-4S3/2 LIR玻爾茲曼測溫法計算的芯片溫度(TC-B)。(f) 不同溫度下TC-B與TR之間的誤差。(g) 表面涂覆納米發(fā)光溫度計的芯片的變溫發(fā)射光譜。(h) TR 曲線、TS 曲線以及根據(jù) Er3+/Eu3+ LIR測溫法計算出的芯片溫度(TC-M)。 (i) 不同溫度下 TC-M 與 TR 之間的誤差。

為解決上述關鍵科學問題，王育華教授課題組開發(fā)了一種新型YV1-xPxO4:Eu3+，Er3+發(fā)光溫度探針。該體系通過釩酸鹽的強寬帶電荷轉(zhuǎn)移吸收敏化鑭系離子發(fā)光，并利用磷酸鹽/釩酸鹽取代（x的變化）調(diào)控Eu3+發(fā)光的熱猝滅溫度，成功實現(xiàn)可調(diào)的寬范圍最佳測溫區(qū)間。此外，該材料具有多種溫度依賴發(fā)光特性：Er3+的2H11/2/4S3/2發(fā)光強度比、Er3+與Eu3+積分發(fā)光強度比、以及Eu3+熒光壽命。基于多參數(shù)傳感策略，微/納米晶溫度探針在室溫至873K寬溫域內(nèi)展現(xiàn)出0.5%/K至超過5%/K的可調(diào)相對靈敏度。研究團隊將其用于芯片原位溫度檢測，測溫精度優(yōu)于1K，充分證明這種新型發(fā)光溫度計在精密測溫領域的應用潛力。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c02306

審核編輯 黃宇