基于Yb

基于yb
3+
,mn
2+
共掺钇铝石榴石的上转换发光温度传感荧光材料及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及温度传感实属领域，尤其涉及一种基于yb
3+
,mn
2+
共掺钇铝石榴石的上转换发光温度传感荧光材料及其制备方法。


背景技术：

2.不同于传统的温度传感，在基于监测发光材料的发光强度或发光寿命的基础上，光学温度传感已成为一种快速大面积成像和高精度传感的温度测量方法。上转换发光由于其在生物检测和光学温度传感方面的应用而受到广泛关注。其中，稀土离子的热耦合能级(能隙约为200～2000cm
‑1)产生的双发射峰通常随温度而变化，通过双发射峰之间的荧光强度比变化可以用于温度传感。然而，荧光强度比技术通常所依赖的由稀土离子热耦合能级产生双峰发射的两个峰值非常接近，这对准确地测量温度是一个很大的挑战。
3.与稀土离子的f
‑
f跃迁相比，过渡金属离子的d
‑
d跃迁对温度更加敏感。作为过渡金属离子的一种，mn
2+
因其在不同配位环境种发光可调而受到广泛关注。据报道，几乎所有yb
3+
掺杂的氯化锰和溴化锰都只在低温下才能够表现出有效的上转换发射，在室温猝灭，这是因为随着温度的升高，在上转换过程中mn
2+
的非辐射跃迁几率大幅增加。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出一种工艺简单，成本低，在室温以及高温下实现了mn
2+
的上转换发射，能有效规避现有稀土离子热耦合能级双发射带的峰值非常接近的问题的上转换发光温度传感荧光材料及其制备方法。
5.进一步的，所述基于yb
3+
,mn
2+
共掺钇铝石榴石的上转换发光温度传感荧光材料的化学通式为：y3‑
x
al5‑
y
o
12
:yb
3+x
,mn
2+y
，其中，0.01≤x≤0.1，0.05≤y≤0.2。
6.进一步的，所述基于yb
3+
,mn
2+
共掺钇铝石榴石的上转换发光温度传感荧光材料在980nm的激光激发下获得主峰位于～585nm的橙色发光。
7.本发明还提出一种上转换发光温度传感荧光材料的制备方法，包括以下步骤：
8.步骤1：准备原料，所述原料包括氧化锰、氧化镱、氧化钇和氧化铝的粉体；
9.步骤2：根据分子式y3‑
x
al5‑
y
o
12
:yb
3+x
,mn
2+y
，确定x和y的值；
10.步骤3：根据步骤2中x和y的值，按照摩尔比称量相应的原料置于酒精中进行球磨，形成混合物料；
11.步骤4：将步骤3中混合物料烘干后筛粉细化，去除有机成分；
12.步骤5：将步骤4中筛粉后的物料进行烧结后冷却至室温，得到所述基于yb
3+
,mn
2+
共掺钇铝石榴石的上转换发光温度传感荧光材料。
13.进一步的，在步骤1中，所述原料的纯度大于等于99.99％。
14.进一步的，在步骤3中，所述球磨的的转速为200～300转/分，所述球磨的时间为10～15小时。
15.进一步的，在步骤4中，将混合物料置于烘干箱中干燥4
‑
8小时。
16.进一步的，在步骤5中，所述烧结的温度为1500℃
‑
1700℃，保温时间为3
‑
6小时。
17.进一步的，所述基于yb
3+
,mn
2+
共掺钇铝石榴石的上转换发光温度传感荧光材料在373k～423k时，绝对灵敏度s
a
大于0.0006k
‑1，在293k～373k时相对灵敏度s
r
大于2％k
‑1。
18.与现有技术相比，本发明的优势之处在于：
19.1、本发明的氧化物钇铝石榴石(y3al5o
12
,yag)是稀土离子、过渡金属离子的优良基质材料。本发明的钇铝石榴石表现出高声子能量，导致严重的多声子弛豫过程，这有利于提高光学温度计的灵敏度。此外，钇铝石榴石的物理和化学稳定性也是有效保障测温可重复性的重要支撑。
20.2、本发明的上转换发光温度传感荧光材料制备工艺简单，制备成本低，易批量制备，且其在制备过程中无需使用对人体环境有毒害的助熔剂，具有良好的人体、环境友好性。
附图说明
21.图1为实施例1所得yb
3+
,mn
2+
共掺yag的上转换发光温度传感荧光材料的xrd图谱。
22.图2为实施例1所得yb
3+
,mn
2+
共掺yag的上转换发光温度传感荧光材料在980nm激发下的上转换光谱。
23.图3为实施例1所得yb
3+
,mn
2+
共掺yag的上转换发光温度传感荧光材料在980nm激发下的温度依赖性的上转换发射光谱。
24.图4为实施例1所得yb
3+
,mn
2+
共掺yag的上转换发光温度传感荧光材料在298k～433k范围内980nm激发下的上转化发射光谱积分面积随温度变化的曲线图。
25.图5为实施例1所得yb
3+
,mn
2+
共掺yag的上转换发光温度传感荧光材料在298k～433k范围内980nm激发下的相对灵敏度和绝对灵敏度随温度的变化曲线图。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案作进一步地说明。
27.实施例1
28.步骤1：初始原料采用原料纯度不低于99.99％的氧化锰、氧化镱、氧化钇、氧化铝的粉体。
29.步骤2：根据化学式y
2.95
a
4.9
o
12
:yb
3+0.05
,mn
2+0.1
称量粉末，将称量的粉末在酒精中以250转/分的转速球磨12小时。
30.步骤3：混合后的物料放入烘箱干燥6小时，然后筛粉细化，再预烧去除有机成分。
31.步骤4：最后放入气氛箱式炉中，进行常压烧结，将样品自然冷却至室温，得到上转换发光温度传感荧光材料。常压烧结：箱式炉的保温温度为1600℃，保温时间为4小时。
32.采用x射线粉末衍射仪，对所得上转换发光温度传感荧光材料的物相进行检测，检测结果数据表明所得材料的物相为纯相，xrd图谱如图1所示。
33.采用荧光光谱仪，测试了yb
3+
,mn
2+
共掺yag的上转换发光温度传感荧光材料在工作波长为980nm的ld激发下的上转换光谱，测试结果如图2所示。
34.由图2可知，本发明实施例1制备得到的上转换发光温度传感荧光材料在980nm的ld激发下发射出峰值波长为～585nm的橙光，发射峰来自于mn
2+
的4t1→6a1跃迁。
35.采用荧光光谱仪，测试了yb
3+
,mn
2+
共掺yag的上转换发光温度传感荧光材料在980nm的ld激发下的温度依赖性上转换发射光谱，测试结果如图3所示。
36.由图3可知，本发明实施例1制备得到的上转换发光温度传感荧光材料在980nm的ld激发下的发光强度，随着测试温度的增加有规律地降低。
37.对图3测得的发射光谱的面积进行积分，随着温度从298k增加到423k,上转化发射强度值减小，呈现出非常满意的单指数拟合，记为公式1：
[0038][0039]
另外，本发明的绝对灵敏度和相对灵敏度分别为公式2和公式3：
[0040][0041][0042]
本发明的绝对灵敏度与相对灵敏度曲线分别如图4、5所示，在373k～423k时，温度传感荧光材料的绝对灵敏度s
a
大于0.0006k
‑1，在293k～373k时相对灵敏度s
r
大于2％k
‑1。
[0043]
由以上实施例可知，本发明提供了一种基于yb
3+
,mn
2+
共掺yag的上转换发光温度传感荧光材料及其制备方法。其制备工艺简单，制备成本低，易批量制备，具有良好的人体、环境友好性且灵敏度较为合适、稳定。除此之外，其能有效规避现有稀土离子热耦合能级双发射带的峰值非常接近的问题。在测温技术及光学温度传感领域能起重要作用。
[0044]
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。