徐偉 姚淼

摘要：為了開(kāi)發(fā)具有高發(fā)光效率和高測(cè)溫靈敏度的光學(xué)溫度傳感材料，采用高溫固相法合成了一系列Cr3+摻雜Y3Al5O12-xAl2O3（x=0，0.5，1.25，2，2.75，3.5）固熔體。利用X射線衍射、掃描電子顯微鏡、傅里葉紅外光譜、穩(wěn)態(tài)激發(fā)和發(fā)射光譜表征，詳細(xì)研究了Y3Al5O12中Al2O3的摻雜濃度對(duì)其結(jié)構(gòu)和發(fā)光性能的影響。研究表明，提高Al2O3摻雜量可以增加固熔體中的八面體配位，同時(shí)削弱了晶體場(chǎng)強(qiáng)度，有利于Cr3+的發(fā)光。在303～773 K溫度范圍內(nèi)，利用該材料中Cr3+熒光壽命以及熱耦合能級(jí)熒光強(qiáng)度比的溫度依賴特性進(jìn)行測(cè)溫研究，兩種方法的相對(duì)測(cè)溫靈敏度分別在500 K時(shí)達(dá)到最大值0.802% K-1，在303 K時(shí)達(dá)到最大值0.977% K-1。除此之外，本文首次提出利用激光強(qiáng)度與熒光強(qiáng)度之比作為測(cè)溫參數(shù)的比率型測(cè)溫方法，在773 K時(shí)取得最大相對(duì)測(cè)溫靈敏度為1.036% K-1。上述研究結(jié)果表明，Cr3+摻雜Y3Al5O12-xAl2O3固熔體材料具有良好的光學(xué)溫度傳感特性，三種不同模式的測(cè)溫方法為該材料在發(fā)光測(cè)溫領(lǐng)域的應(yīng)用提供了廣闊的前景。

關(guān)鍵詞：光譜測(cè)量；Cr3+離子；固熔體；光致發(fā)光；光學(xué)溫度傳感

中圖分類號(hào)： O433.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： ADOI：10.3969/j.issn.1007-791X.2024.02.0080引言

溫度作為基本物理量之一，影響和反映了大部分物理、化學(xué)和生物過(guò)程。溫度傳感在工業(yè)生產(chǎn)、日常生活、科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中占有重要地位，發(fā)現(xiàn)具有高靈敏度的測(cè)溫方法和材料對(duì)社會(huì)進(jìn)步和發(fā)展至關(guān)重要[1-3]。然而，廣泛使用的傳統(tǒng)接觸式溫度傳感器檢測(cè)時(shí)需要與待測(cè)物體接觸，因此很容易受到測(cè)試環(huán)境的影響[4-5]。在惡劣的環(huán)境中（如腐蝕性環(huán)境、電磁干擾環(huán)境、高速移動(dòng)環(huán)境等），溫度的檢測(cè)受到限制。相比之下，非接觸式光學(xué)溫度傳感器具有響應(yīng)快、靈敏度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)以及微環(huán)境溫度測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注[6-8]。已經(jīng)證明，幾種光學(xué)特性可以用來(lái)指示溫度的變化，包括發(fā)射帶寬、中心波長(zhǎng)、發(fā)射強(qiáng)度、熒光壽命、熒光強(qiáng)度比（Fluorescence Intensity Ratio，F(xiàn)IR）等。在所有這些測(cè)溫方法中，基于熒光壽命和熱耦合能級(jí)熒光強(qiáng)度比的測(cè)溫方法由于受激發(fā)光波動(dòng)、光學(xué)耦合度、材料異質(zhì)性和光譜損耗的影響很小，成為目前研究的熱點(diǎn)[9-12]。

Cr3+作為一種過(guò)渡金屬，其未填充的3d3電子外殼具有許多低能級(jí)，發(fā)光強(qiáng)度對(duì)溫度非常敏感。由于3d軌道電子直接排布于離子核外，Cr3+的光譜特性受晶體場(chǎng)強(qiáng)度的影響較大。在強(qiáng)晶體場(chǎng)環(huán)境中，自旋禁止躍遷2E→4A2產(chǎn)生的窄而尖銳的發(fā)射帶在發(fā)射光譜中占主導(dǎo)地位，而自旋允許躍遷4T2→4A2產(chǎn)生的寬發(fā)射帶在弱晶體場(chǎng)環(huán)境中更加突出[13-15]?？梢酝ㄟ^(guò)改變基質(zhì)材料周圍晶體場(chǎng)環(huán)境，調(diào)控Cr3+的發(fā)光特性并優(yōu)化測(cè)溫性能，因此，Cr3+在非接觸式光學(xué)測(cè)溫領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。例如，Back等研究了Cr3+摻雜Ga2O3材料的溫度傳感特性，并揭示了晶體結(jié)構(gòu)對(duì)Cr3+的2E→4A2和4T2→4A2躍遷之間熒光強(qiáng)度比測(cè)溫相對(duì)靈敏度的影響[16]。Wang等證實(shí)，在具有雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的La2MgHfO6中摻雜不同濃度的Cr3+可以調(diào)節(jié)晶體場(chǎng)強(qiáng)度，在84～184 K的溫度范圍內(nèi)獲得1.12%K-1的熒光壽命測(cè)溫靈敏度[17]。然而，由于熱猝滅現(xiàn)象導(dǎo)致熒光壽命測(cè)溫范圍較小，同時(shí)熱耦合能級(jí)限制了熒光強(qiáng)度比測(cè)溫靈敏度的提高，Cr3+摻雜發(fā)光材料的測(cè)溫應(yīng)用受到阻礙。因此，需要選擇合適的基質(zhì)材料來(lái)開(kāi)發(fā)具有寬測(cè)溫范圍和高測(cè)溫靈敏度的光學(xué)溫度傳感器。

本文系統(tǒng)地研究了Cr3+摻雜Y3Al5O12-xAl2O3固熔體的發(fā)光特性。發(fā)現(xiàn)Al2O3摻雜含量的增加有利于Cr3+的近紅外發(fā)射，并且壽命在303～773 K的寬溫度范圍內(nèi)猝滅明顯，可以用于溫度傳感。基于Cr3+的特征發(fā)射，2E→4A2和4T2→4A2躍遷產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度比遵循玻爾茲曼分布，因此同樣可以作為溫度測(cè)量的指標(biāo)。為了減少外部環(huán)境的干擾，避免激光輸出功率不穩(wěn)定引起的測(cè)量誤差，首次提出了將激光強(qiáng)度與熒光強(qiáng)度作為測(cè)溫參數(shù)，利用兩者的比值進(jìn)行溫度測(cè)量的方法。三種方法均取得了較高的測(cè)溫靈敏度，同時(shí)拓展了溫度測(cè)量的范圍。因此，Cr3+摻雜Y3Al5O12-xAl2O3固熔體是一種具有潛在應(yīng)用前景的多模式測(cè)溫材料。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1樣品合成

Y3Al5O12-xAl2O3： 1 mol% Cr3+ （x=0，0.5，1.25，2，2.75，3.5）固熔體材料采用高溫固相法制備。使用Y2O3（純度99.9%）、Al2O3（純度99.7%）、Cr2O3（純度99.99%）作為原料，按照3Y2O3-（4.99+x）Al2O3-0.01Cr2O3的化學(xué)計(jì)量比依次稱取，稱取質(zhì)量百分比為5%的B2O3（純度99.9%）作為助熔劑，將以上化學(xué)藥品置于瑪瑙研缽中研磨1 h直至混合均勻。隨后將混合原料放入剛玉坩堝，在1 500 ℃空氣氣氛中煅燒6 h。最后，將燒結(jié)樣品自然冷卻至室溫，并壓制成圓形薄片以進(jìn)行下一步的光學(xué)表征。

1.2樣品表征

采用日本Shimadzu 公司生產(chǎn)的XRD-6100型X射線衍射儀在20°～90°的角度范圍內(nèi)，使用Cu靶Kα線輻射表征樣品的物相結(jié)構(gòu)。使用日本Hitachi公司生產(chǎn)的su8200型掃描電子顯微鏡觀察樣品形貌特征。樣品的傅里葉變換紅外光譜通過(guò)德國(guó)Bruker公司生產(chǎn)的VERTEX 70型傅里葉紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)配備CR131型光電倍增管的光柵光譜儀（北京卓立公司，Ominiλ300型）測(cè)量樣品的激發(fā)和發(fā)射光譜，光源分別為150 W氙燈和405 nm激光二極管（美國(guó)Thorlabs公司，L405P20型），變溫發(fā)射光譜則配備加熱臺(tái)溫度控制器（英國(guó)Instec公司，HCP621G型）進(jìn)行測(cè)量。采用二極管溫度控制器（美國(guó)Thorlabs公司，ITC4005型）與405 nm激光二極管相連接作為泵浦激發(fā)光源，使用數(shù)字熒光示波器（中國(guó)泰克公司，DPO 2024型）采集熒光衰減曲線。

2結(jié)果與討論

2.1結(jié)構(gòu)表征分析

圖1（a）為Y3Al5O12-xAl2O3： 1 mol% Cr3+（x =0，0.5，1.25，2，2.75，3.5）樣品的XRD衍射圖譜。在沒(méi)有額外Al2O3摻雜的情況下，可以發(fā)現(xiàn)微小的六方Y(jié)AlO3相（PDF#33-0041）。這是由于Y3Al5O12的生成是先由非晶態(tài)氧化鋁轉(zhuǎn)變?yōu)榱戒X酸鹽，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)槭袷?，在這一過(guò)程中會(huì)有少量的亞穩(wěn)態(tài)中間產(chǎn)物六方Y(jié)AlO3形成[18]。當(dāng)Al2O3摻雜量增加到x=0.5時(shí)，所有的衍射峰都可以與Y3Al5O12標(biāo)準(zhǔn)卡片（PDF#33-0040）相對(duì)應(yīng)，表明Al2O3的摻雜使高溫固相反應(yīng)更加徹底，并且成功析出了立方晶相石榴石結(jié)構(gòu)的Y3Al5O12。隨著Al2O3摻雜比例的進(jìn)一步增加，在XRD圖譜中除了與Y3Al5O12對(duì)應(yīng)的衍射峰之外，出現(xiàn)了對(duì)應(yīng)于Al2O3（PDF#46-1212）的衍射峰，其強(qiáng)度逐漸增加，這表明成功制備出Y3Al5O12-Al2O3固熔體。由于Al2O3的晶胞結(jié)構(gòu)比Y3Al5O12小，因此隨著Al2O3濃度的增加，樣品晶胞收縮，主衍射峰向更高的布拉格角移動(dòng)，如圖1（b）所示。Y3Al5O12-xAl2O3： 1 mol% Cr3+樣品的衍射峰均能與Y3Al5O12和Al2O3的標(biāo)準(zhǔn)卡片很好的匹配，表明Cr3+的摻雜并未引起固熔體晶相的改變。

圖2為Y3Al5O12： 1 mol% Cr3+和Y3Al5O12-3.5Al2O3： 1 mol% Cr3+樣品的掃描電子顯微鏡照片。由圖2（a）可見(jiàn)，由于高溫固相法的固有特性，樣品由形狀不規(guī)則的顆粒組成，并存在一定的團(tuán)聚現(xiàn)象。隨著Al2O3摻雜比例的增加，晶體的平均尺寸減小并且?guī)缀涡蚊哺用黠@，如圖2（b）所示。這表明過(guò)量的Al2O3作為第二相會(huì)抑制Y3Al5O12晶體的生長(zhǎng)，同時(shí)減少晶體的團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖3顯示了Y3Al5O12-xAl2O3： 1 mol% Cr3+樣品在400～2 000 cm-1范圍內(nèi)的傅里葉紅外光譜。其中433 cm-1和696 cm-1附近的吸收峰來(lái)自于Y—O鍵的振動(dòng)吸收。以464 cm-1為中心的吸收譜帶是由Al—O鍵伸縮振動(dòng)吸收引起的，由于額外摻雜的Al2O3在高溫下會(huì)生成三方晶系α-Al2O3，因此隨著α-Al2O3含量的逐漸增加，464 cm-1處的吸收峰強(qiáng)度不斷提高[18-19]。514 cm-1和567 cm-1處的吸收峰歸因于Al—O6—Al的拉伸和彎曲振動(dòng)，727 cm-1和790 cm-1的吸收峰歸因于Al—O4—Al基團(tuán)的對(duì)稱拉伸振動(dòng)和反對(duì)稱拉伸振動(dòng)[20]。除此之外，以1 657 cm-1為中心的吸收帶是由于H—O鍵的彎曲振動(dòng)引起的。

2.2光譜特性分析

在室溫下測(cè)量了Y3Al5O12-xAl2O3： 1 mol% Cr3+樣品的激發(fā)光譜，監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)為694 nm，如圖4所示。在光譜中可以觀察到兩個(gè)寬帶激發(fā)峰，分別來(lái)源于Cr3+的4A2→4T1（4F）和4A2→4T2（4F）能級(jí)躍遷，激發(fā)峰峰位與Al2O3摻雜量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。隨著Al2O3摻雜量的增加，激發(fā)峰強(qiáng)度顯著增強(qiáng)并呈現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象，這是由于過(guò)量Al2O3的摻雜增加了固熔體中八面體結(jié)構(gòu)的數(shù)量，并且Cr3+優(yōu)先進(jìn)入Al2O3中包含的六配位八面體結(jié)構(gòu)。

圖5記錄了Y3Al5O12-xAl2O3：1 mol% Cr3+樣品在405 nm激光激發(fā)下的室溫發(fā)射光譜。688 nm處的發(fā)射峰對(duì)應(yīng)于Y3Al5O12中Cr3+自旋禁止的2E→4A2躍遷即R線。隨著Al2O3摻雜量的增加，由于α-Al2O3的生成，R線逐漸移動(dòng)至694 nm處并且發(fā)射強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，表現(xiàn)出強(qiáng)烈而尖銳的近乎單波長(zhǎng)的發(fā)射，即紅寶石激光線[21]。多聲子邊帶出現(xiàn)在R線的兩側(cè)，600～800 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的寬發(fā)射帶源于Cr3+自旋允許的4T2→4A2躍遷[22]。這些現(xiàn)象表明Cr3+成功進(jìn)入主體晶格中。

在八面體環(huán)境中，Cr3+的光譜性質(zhì)很大程度上取決于所處晶體場(chǎng)的強(qiáng)度，可以用Tanabe-Sugano圖來(lái)表示Cr3+占據(jù)八面體晶體場(chǎng)時(shí)的能級(jí)分布，如圖6所示[23]。當(dāng)Cr3+處于強(qiáng)晶體場(chǎng)時(shí)，在發(fā)射光譜中，歸屬于2E→4A2躍遷的R線發(fā)射將占主導(dǎo)地位。相比之下，弱晶體場(chǎng)環(huán)境會(huì)使Cr3+產(chǎn)生較強(qiáng)的寬帶發(fā)射，源自于自旋允許的4T2→4A2躍遷。晶體場(chǎng)強(qiáng)參數(shù)可通過(guò)4A2→4T2躍遷的峰值能量由下式確定[24]：

根據(jù)激發(fā)光譜中4A2→4T1躍遷和4A2→4T2躍遷的能量差，Racah參數(shù)B可由下式計(jì)算：

其中參數(shù)x定義如下：

所有樣品的晶體場(chǎng)分裂參數(shù)Dq、Racah參數(shù)B和Dq/B如表2所示。在d3體系的Tanabe-Sugano圖中，2E和4T2能級(jí)在Dq/B =2.3處交叉，交叉點(diǎn)左側(cè)為弱晶體場(chǎng)，右側(cè)為強(qiáng)晶體場(chǎng)。所有樣品的Dq/B值均大于2.3，證實(shí)了Cr3+存在于強(qiáng)晶體場(chǎng)環(huán)境中，這與圖5中存在的尖銳發(fā)射峰現(xiàn)象相吻合。八面體中Cr3+的自由離子Racah參數(shù)B值為918 cm-1，B值的降低可能是由于金屬離子及其共軛配體分子軌道上的離域效應(yīng)導(dǎo)致的[25]。除此之外，Dq/B值的降低很好地證明了Al2O3摻雜量的增加可以削弱晶體場(chǎng)強(qiáng)度。

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以推斷，額外Al2O3的摻雜對(duì)提高樣品的發(fā)光強(qiáng)度起著重要作用。一方面，隨著Al2O3含量的增加，激發(fā)光譜的激發(fā)峰強(qiáng)度增加并出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象，表明405 nm的泵浦光得到了更徹底的利用，使得樣品向長(zhǎng)波長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換效率變得更高[26]。另一方面，樣品晶體場(chǎng)強(qiáng)度隨著Al2O3含量的增加而降低，表明2E和4T2能級(jí)之間的能隙減小，位于4T2能級(jí)的電子可能更趨向于通過(guò)無(wú)輻射弛豫方式躍遷到2E能級(jí)，導(dǎo)致布居于2E能級(jí)上的電子數(shù)目增加。此外，Cr3+優(yōu)先進(jìn)入固熔體中Al2O3的八面體結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了Cr3+的2E→4A2自旋禁止躍遷在694 nm處的中心發(fā)射峰強(qiáng)度。

圖7顯示了在405 nm激光激發(fā)下Y3Al5O12-xAl2O3： 1 mol% Cr3+樣品的室溫?zé)晒鈮勖袠悠返谋O(jiān)測(cè)波長(zhǎng)為694 nm。當(dāng)Al2O3的摻雜量從x=0增加到x=0.5時(shí)，熒光壽命降低，這是由于樣品中YAlO3相的消失。當(dāng)Al2O3的摻雜量提升至x=1.25時(shí)，2E能級(jí)上排布的電子數(shù)目增加導(dǎo)致熒光壽命提高。隨著Al2O3摻雜量的進(jìn)一步提升，局部能量分布的不均勻性以及激活劑離子Cr3+之間的相互作用導(dǎo)致無(wú)輻射弛豫概率增加，從而導(dǎo)致熒光壽命的持續(xù)降低。結(jié)合圖5發(fā)射光譜分析，選擇Y3Al5O12-3.5Al2O3： 1 mol% Cr3+樣品進(jìn)行溫度敏感性實(shí)驗(yàn)。

2.3測(cè)溫特性分析

選用Y3Al5O12-3.5Al2O3：1 mol% Cr3+樣品，在405 nm激光激發(fā)下采集變溫?zé)晒鈮勖p曲線，監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)為694 nm，如圖8（a）所示，當(dāng)溫度從303 K上升到773 K時(shí)，Cr3+的熒光壽命迅速衰減并且符合單指數(shù)擬合。在303 K時(shí)，熒光壽命為 2.483 ms，在773 K時(shí)僅為 0.113 ms。根據(jù)Mott-Seitz公式，可以得出熒光壽命的溫度依賴性[27]：

其中，τ（T）表示給定溫度下的熒光壽命，τ0表示303 K時(shí)的熒光壽命，A表示常數(shù)，ΔE表示熱猝滅活化能，kB表示玻爾茲曼常數(shù)，T表示熱力學(xué)溫度。由于τ0是一個(gè)常數(shù)，因此隨溫度變化的熒光壽命可以用推導(dǎo)出的方程式擬合：

其中，B、C和D為常數(shù)。通過(guò)式（5）得到熒光壽命與溫度之間的函數(shù)關(guān)系擬合曲線為1/τ=0.39+332.26×exp（-3 018.57/T），如圖8（b）所示。作為評(píng)估測(cè)溫的重要參數(shù)，絕對(duì)靈敏度Sa和相對(duì)靈敏度Sr可通過(guò)以下公式確定[28]：

通過(guò)式（6）和式（7）計(jì)算了不同溫度下Sa和Sr的值，如圖8（c）所示。Sa在423 K時(shí)達(dá)到最大值0.010 3 K-1，Sr在500 K時(shí)達(dá)到最大值0.802%K-1。結(jié)果表明，Y3Al5O12-3.5Al2O3：1 mol% Cr3+樣品具有良好的熒光壽命溫度敏感性，可用于實(shí)現(xiàn)基于熒光壽命的光學(xué)測(cè)溫。

如圖9（a）中405 nm激光激發(fā)Y3Al5O12-3.5Al2O3： 1 mol% Cr3+樣品變溫發(fā)射光譜所示，隨著溫度從303 K上升到773 K，不斷增加的非輻射躍遷導(dǎo)致Cr3+發(fā)射的熒光強(qiáng)度迅速衰減。圖9（b）表示2E→4A2和4T2→4A2躍遷發(fā)射帶的積分強(qiáng)度隨溫度變化情況，可以看出，2E→4A2和4T2→4A2躍遷的熒光強(qiáng)度對(duì)溫度的依賴性完全不同，這源自于4T2和2E能級(jí)之間的玻爾茲曼分布[29]。隨著溫度升高，處于2E能級(jí)的電子逐漸布居至相鄰的4T2能級(jí)，導(dǎo)致以上兩個(gè)躍遷之間的熒光強(qiáng)度比對(duì)溫度變化高度敏感。遵循玻爾茲曼分布的兩個(gè)熱耦合激發(fā)態(tài)之間的熒光強(qiáng)度比可以描述為[30]

其中，E、F為常數(shù)，ΔE為熱耦合能級(jí)之間的能隙。利用Cr3+自旋禁止的2E→4A2躍遷與自旋允許的4T2→4A2躍遷之間的熒光強(qiáng)度比建立與溫度的函數(shù)關(guān)系，擬合曲線為FIR=-0.78+0.39×exp（747.36/T），如圖9（c）所示。絕對(duì)靈敏度Sa和相對(duì)靈敏度Sr由下式推導(dǎo)[31]：

通過(guò)式（9）和式（10）計(jì)算了不同溫度下Sa和Sr的值，如圖9（d）所示。Sa在303 K時(shí)達(dá)到最大值0.037 2 K-1，Sr在303 K時(shí)達(dá)到最大值0.977%K-1。結(jié)果表明，Y3Al5O12-3.5Al2O3：1 mol% Cr3+樣品具有良好的熒光強(qiáng)度比溫度敏感性，可用于實(shí)現(xiàn)基于熒光強(qiáng)度比的光學(xué)測(cè)溫。

由于發(fā)射強(qiáng)度與激發(fā)源強(qiáng)度有關(guān)，為了減少激光輸出功率強(qiáng)度以及外部環(huán)境干擾引起的測(cè)量誤差，使用405 nm激光強(qiáng)度與Cr3+自旋禁止的2E→4A2躍遷產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度作為測(cè)溫參數(shù)。在303～ 773 K溫度范圍內(nèi)，同時(shí)采集405 nm激光激發(fā)Y3Al5O12-3.5Al2O3： 1 mol% Cr3+樣品的反射激光光譜和熒光發(fā)射光譜，如圖10（a）所示。圖10（b）為相關(guān)發(fā)射帶的積分強(qiáng)度，并分別表示為IL和IF，可以看出，405 nm激光強(qiáng)度隨溫度變化基本保持不變，而Cr3+的2E→4A2躍遷產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度隨溫度升高急劇下降。根據(jù)式（8），建立了激光強(qiáng)度和熒光強(qiáng)度的比值（IL/IF）對(duì)溫度的擬合曲線為FIR=1.49+33 655.69×exp（-5 899.85/T），如圖10（c）所示。通過(guò)式（9）和式（10）計(jì)算了不同溫度下的絕對(duì)靈敏度和相對(duì)靈敏度，如圖10（d）所示。Sa在773 K時(shí)達(dá)到最大值0.186 K-1，Sr在773 K時(shí)達(dá)到最大值1.036%K-1。由以上分析可以確定，激光強(qiáng)度與熒光強(qiáng)度比測(cè)溫方式的靈敏度相較于熒光強(qiáng)度比測(cè)溫方式有一定的提高，并且在高溫下展現(xiàn)了更加優(yōu)異的測(cè)溫性能。

表3列出了現(xiàn)有摻雜過(guò)渡金屬離子材料的測(cè)溫參數(shù)，與這些材料相比，Y3Al5O12-3.5Al2O3：1 mol% Cr3+固熔體材料具有更優(yōu)異的溫度敏感性能，在寬溫度范圍的光學(xué)溫度傳感應(yīng)用上具有較大的潛力。

4結(jié)論

本文系統(tǒng)地研究了Y3Al5O12-xAl2O3： 1 mol% Cr3+系列固熔體的光學(xué)特性，旨在構(gòu)建具有優(yōu)異測(cè)溫性能的光學(xué)溫度計(jì)。通過(guò)晶體場(chǎng)分析研究了Al2O3的摻雜對(duì)晶體場(chǎng)強(qiáng)度的影響，結(jié)合光譜表征，進(jìn)一步證實(shí)了Al2O3摻雜量的增加有助于Cr3+的有效發(fā)光。選取Y3Al5O12-3.5Al2O3： 1 mol% Cr3+材料進(jìn)行溫度敏感性研究，結(jié)果表明該材料可以用于溫度傳感，基于熒光壽命（500 K時(shí)為0.802%K-1）和熒光強(qiáng)度比（303 K時(shí)為0.977%K-1）測(cè)溫方法均具有良好的溫度傳感性能。除此之外，首次提出使用激光強(qiáng)度與熒光強(qiáng)度的比值作為溫度測(cè)量信號(hào)，在773 K溫度下達(dá)到了約1.036%K-1的較高測(cè)溫靈敏度。Y3Al5O12-xAl2O3： 1 mol% Cr3+固熔體材料具有優(yōu)異的溫度敏感特性，可實(shí)現(xiàn)三種模式的溫度傳感。這些發(fā)現(xiàn)證明了Y3Al5O12-xAl2O3： 1 mol% Cr3+固熔體材料作為理想光學(xué)溫度計(jì)的潛力，并為拓寬光學(xué)溫度測(cè)量在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一條有效的途徑。

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Research on photoluminescence and temperature sensing

properties of Cr3+ doped Y3Al5O12-Al2O3

Abstract：In order to develop optical temperature sensing materials with high luminescence efficiency and excellent temperature sensitivity， a series of Cr3+ doped Y3Al5O12-xAl2O3 （x=0， 0.5， 1.25， 2， 2.75， 3.5） solid solutions were synthesized by high temperature solid phase method. The influence of doping concentration of Al2O3 in Y3Al5O12 on the structure and luminescent characterization were studied in detail by the X-ray diffraction patterns， scanning electron microscope， FT-IR spectra， steady-state excitation and emission spectra. Research revealed that the increase of Al2O3 doping content could increase the octahedral coordination in solid solutions and simultaneously weaken the crystal field strength， favoring the luminescence of Cr3+. Temperature sensing research was conducted using the temperature-dependent characteristics of the Cr3+ fluorescence lifetime and the thermal coupling energy level fluorescence intensity ratio in this material within the temperature range of 303 K to 773 K. The relative temperature sensitivities of the two methods reached a maximum value of 0.802%K-1 at 500 K and 0.977%K-1 at 303 K， respectively. In addition， a ratio-type temperature measurement method using the ratio of laser intensity to fluorescence intensity as the temperature measurement parameter is proposed for the first time in this study， achieving a maximum relative temperature sensitivity of 1.036%K-1 at 773 K. These research results indicate that the Cr3+ doped Y3Al5O12-xAl2O3 solid solutions have excellent optical temperature sensing characteristics， and the three different temperature measurement methods provide broad prospects for the application of this material in the field of luminescent temperature sensing.

Keywords： spectral measurement; Cr3+ ions; solid solution; photoluminescence; optical thermometry