基于上转换发光的Y7O6F9∶Er,Yb/PAN复合纤维温度传感特性

赵昕; 刘哲; 林海; 李德胜

doi:10.37188/CJL.20220350

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基于上转换发光的Y₇O₆F₉∶Er,Yb/PAN复合纤维温度传感特性

材料合成及性能 | 更新时间：2023-03-13

- 基于上转换发光的Y₇O₆F₉∶Er,Yb/PAN复合纤维温度传感特性
  增强出版
- Temperature Sensing Characteristics of Y₇O₆F₉∶Er,Yb/PAN Composite Fibers Based on Up-conversion Luminescence
- 发光学报 2023年44卷第2期页码：279-288
- 作者机构：
  
  大连工业大学信息科学与工程学院，辽宁大连　116034
- 作者简介：
  
  [ "赵昕（1968-），男，辽宁锦州人，硕士，教授，1997年于吉林大学获得硕士学位，主要从事光电子材料与器件的研究。E-mail： deshengli80@163.com" ]
  [ "李德胜（1980-），男，山东临沂人，博士，副教授，2009年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，主要从事光电子材料与器件的研究。E-mail：xzhao86@163.com" ]
- 基金信息：
  
  辽宁省教育厅基本科研项目(LJKMZ20220904);辽宁省自然科学基金(2022‑MS‑346)
- DOI：10.37188/CJL.20220350
  中图分类号： O482.31
- 收稿日期：2022-09-26，
  
  修回日期：2022-10-08，
  
  纸质出版日期：2023-02-05
- 稿件说明：
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赵昕,刘哲,林海等.基于上转换发光的Y₇O₆F₉∶Er,Yb/PAN复合纤维温度传感特性[J].发光学报,2023,44(02):279-288.

ZHAO Xin,LIU Zhe,LIN Hai,et al.Temperature Sensing Characteristics of Y₇O₆F₉∶Er,Yb/PAN Composite Fibers Based on Up-conversion Luminescence[J].Chinese Journal of Luminescence,2023,44(02):279-288.
赵昕,刘哲,林海等.基于上转换发光的Y₇O₆F₉∶Er,Yb/PAN复合纤维温度传感特性[J].发光学报,2023,44(02):279-288. DOI： 10.37188/CJL.20220350.

ZHAO Xin,LIU Zhe,LIN Hai,et al.Temperature Sensing Characteristics of Y₇O₆F₉∶Er,Yb/PAN Composite Fibers Based on Up-conversion Luminescence[J].Chinese Journal of Luminescence,2023,44(02):279-288. DOI： 10.37188/CJL.20220350.

摘要

通过水热法配合高温煅烧合成了斜方晶系Y

∶Er，Yb晶体，该晶体可实现高效上转换发光且具有良好的高分子亲和性。利用高压静电纺丝技术将Y

∶Er，Yb晶体颗粒与高分子化合物聚丙烯腈（PAN）复合，制备出了兼备温度传感特性、柔韧性和灵活性的Y

∶Er，Yb/PAN纤维。977 nm激光激发下，晶体颗粒和复合纤维在303~433 K温度范围内均展示出高效的上转换发光和良好的温度传感特性，且复合纤维在测温范围内表现出优于晶体颗粒的温度灵敏度和分辨率。在303 K温度下有最大绝对灵敏度值1.143%·K

‒1

，在433 K温度下有最小的分辨率0.15 K。因此，具有柔韧性的复合纤维既有良好温度传感特性又可任意调节形态，适应复杂多样的应用环境，是可应用于实现智能穿戴领域温度传感性能的有效候选材料。

Abstract

∶Er，Yb orthorhombic crystals were synthesized by hydrothermal method and high-temperature calcination， which achieves efficient up-conversion luminescence and has satisfactory polymer affinity. Y

∶Er， Yb/PAN composite fibers with high temperature sensing properties， and commendable flexibility were prepared by high voltage electrospinning technology. Under the excitation of 977 nm laser， the composite fibers show efficient up-conversion luminescence and better temperature sensing performance than crystals in the temperature range of 303 K to 433 K. Within the temperature range of measurement， the maximum value of

and

of Y

∶Er，Yb crystals is 0.720%·K

‒1

and 1.142%·K

‒1

， and the minimum temperature resolution was 0.37 K. The maximum value of

and

of Y

∶Er，Yb/PAN composite fibers is 0.811%·K

‒1

and 1.143%·K

‒1

， and the minimum temperature resolution was 0.15 K. The sensitivities and temperature resolution of composite fibers with flexibility are higher than those of crystals. Therefore， the flexible Y

∶Er，Yb/PAN composite fibers not only have admirable temperature sensing characteristics but also can adapt to complex and diverse application environments， which is a viable candidate material for realizing temperature sensing performance in the field of intelligent wearable.

关键词

Keywords

references

相国涛，杨梦琳，刘臻，等 . NaScF 4 ∶Yb 3+ /Er 3+ 纳米颗粒荧光温敏特性［J］. 发光学报， 2022 ， 43 （ 5 ）： 684 - 690 . doi: 10.37188/cjl.20220064 http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20220064

XIANG G T ， YANG M L ， LIU Z ， et al . Temperature sensing properties in NaScF 4 ∶Yb 3+ /Er 3+ nanoparticles ［J］. Chin. J. Lumin. ， 2022 ， 43 （ 5 ）： 684 - 690 . （in Chinese） . doi: 10.37188/cjl.20220064 http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20220064

周慧丽，吴锋，张志宏，等 . Lu 2 O 3 ∶Er 3+ /Yb 3+ 荧光材料的上转换发光及其温度传感特性［J］. 发光学报， 2022 ， 43 （ 2 ）： 192 - 200 . doi: 10.37188/cjl.20210363 http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20210363

ZHOU H L ， WU F ， ZHANG Z H ， et al . Upconversion luminescence and temperature sensing characteristics of Lu 2 O 3 ∶Er 3+ /Yb 3+ phosphor ［J］. Chin. J. Lumin. ， 2022 ， 43 （ 2 ）： 192 - 200 . （in Chinese） . doi: 10.37188/cjl.20210363 http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20210363

WU Z Q ， LI L P ， LV X H ， et al . Persistent luminescence ratiometric thermometry ［J］. Chem. Eng. J. ， 2022 ， 438 ： 135573 . doi: 10.1016/j.cej.2022.135573 http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2022.135573

PU L Y ， WANG Y ， ZHAO J Y ， et al . Multi‑mode ratiometric thermometry using thermo‑intensified NIR emission ［J］. Chem. Eng. J. ， 2022 ， 449 ： 137890 . doi: 10.1016/j.cej.2022.137890 http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2022.137890

SU F ， YANG Y L ， OU Y Y ， et al . Site occupancies， electron‐vibration interaction and energy transfer of CaMgSi 2 O 6 ∶Eu 2+ ，Mn 2+ phosphors for potential temperature‐sensing and anti‐counterfeiting applications ［J］. Chem. Eur. J. ， 2022 ， 28 （ 30 ）： e202200381 - 1 - 9 . doi: 10.1002/chem.202200381 http://dx.doi.org/10.1002/chem.202200381

HAO W ， HAO Z D ， ZHANG L L ， et al . Er 3+ /Yb 3+ codoped phosphor Ba 3 Y 4 O 9 with intense red upconversion emission and optical temperature sensing behavior ［J］. J. Mater. Chem. C ， 2018 ， 6 （ 13 ）： 3459 - 3467 . doi: 10.1039/C7TC05796B http://dx.doi.org/10.1039/C7TC05796B

CHEN H ， SETO T ， WANG Y H . An efficient blue phosphor with high thermal stability for lighting and optical pressure sensor applications ［J］. Inorg. Chem. Front. ， 2022 ， 9 （ 8 ）： 1644 - 1654 . doi: 10.1039/d2qi00025c http://dx.doi.org/10.1039/d2qi00025c

LIU E Y ， LEI L ， YE R G ， et al . Improved relative temperature sensitivity of over 10% K -1 in fluoride nanocrystals via engineering the interfacial layer ［J］. Chem. Commun. ， 2022 ， 58 （ 65 ）： 9076 - 9079 . doi: 10.1039/d2cc02548e http://dx.doi.org/10.1039/d2cc02548e

史书宽，李斌轩，杨槐，等 . 仿生光热管理智能高分子材料［J］. 液晶与显示， 2022 ， 37 （ 2 ）： 250 - 263 . doi: 10.37188/CJLCD.2021-0314 http://dx.doi.org/10.37188/CJLCD.2021-0314

SHI S K ， LI B X ， YANG H ， et al . Bioinspired intelligent polymer materials for optical and thermal management ［J］. Chin. J. Liq. Cryst. Disp. ， 2022 ， 37 （ 2 ）： 250 - 263 . （in Chinese） . doi: 10.37188/CJLCD.2021-0314 http://dx.doi.org/10.37188/CJLCD.2021-0314

董国亚，赵翔，张燕，等 . 便携式上转换荧光试纸条检测仪的研制［J］. 光学精密工程， 2017 ， 25 （ 3 ）： 584 - 590 . doi: 10.3788/ope.20172503.0584 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20172503.0584

DONG G Y ， ZHAO X ， ZHANG Y ， et al . Development of portable up-conversion photoluminescence strip detector ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2017 ， 25 （ 3 ）： 584 - 590 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20172503.0584 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20172503.0584

CHEN D Q ， LIU S ， LI X Y ， et al . Upconverting luminescence based dual‑modal temperature sensing for Yb 3+ /Er 3+ /Tm 3+ ∶YF 3 nanocrystals embedded glass ceramic ［J］. J. Eur. Ceram. Soc. ， 2017 ， 37 （ 15 ）： 4939 - 4945 . doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2017.06.012 http://dx.doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.06.012

ZHOU A H ， SONG F ， HAN Y D ， et al . Simultaneous size adjustment and upconversion luminescence enhancement of β‑NaLuF 4 ∶Yb 3+ /Er 3+ ， Er 3+ /Tm 3+ microcrystals by introducing Ca 2+ for temperature sensing ［J］. CrystEngComm ， 2018 ， 20 （ 14 ）： 2029 - 2035 . doi: 10.1039/c8ce00127h http://dx.doi.org/10.1039/c8ce00127h

袁美娟，李静，秦慧连，等 . 碱金属共掺MgSc 2 O 4 ∶Er 3+ /Yb 3+ 纳米晶的上转换发光性能［J］. 发光学报， 2020 ， 41 （ 11 ）： 1351 - 1357 . doi: 10.37188/CJL.20200294 http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20200294

YUAN M J ， LI J ， QIN H L ， et al . Upconversion luminescence of MgSc 2 O 4 ∶Er 3+ /Yb 3+ nanocrystals co‑doped alkali ions ［J］. Chin. J. Lumin. ， 2020 ， 41 （ 11 ）： 1351 - 1357 . （in Chinese） . doi: 10.37188/CJL.20200294 http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20200294

WANG T H ， XU L ， WU Z J ， et al . Self‑doping induced oxygen vacancies and lattice strains for synergetic enhanced upconversion luminescence of Er 3+ ions in 2D BiOCl nanosheets ［J］. Nanoscale ， 2022 ， 14 （ 35 ）： 12909 - 12917 . doi: 10.1039/d2nr02624d http://dx.doi.org/10.1039/d2nr02624d

ZHAN Y H ， YANG Z W ， XU Z ， et al . Electrochromism induced reversible upconversion luminescence modulation of WO 3 ∶Yb 3+ ， Er 3+ inverse opals for optical storage application ［J］. Chem. Eng. J. ， 2020 ， 394 ： 124967-1 - 9 . doi: 10.1016/j.cej.2020.124967 http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2020.124967

LI H L ， ZHANG Z ， HUANG J Z ， et al . Optical and structural analysis of rare earth and Li co‑doped ZnO nanoparticles ［J］. J. Alloys Compd. ， 2013 ， 550 ： 526 - 530 . doi: 10.1016/j.jallcom.2012.10.080 http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.10.080

JIANG Y C ， TONG Y ， CHEN S Y Z ， et al . A three‑mode self‑referenced optical thermometry based on up‑conversion luminescence of Ca 2 MgWO 6 ‑Er 3+ ，Yb 3+ phosphors ［J］. Chem. Eng. J. ， 2021 ， 413 ： 127470 . doi: 10.1016/j.cej.2020.127470 http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2020.127470

ZHU Z P ， SUN Z S ， GUO Z Y ， et al . A high‑sensitive ratiometric luminescent thermometer based on dual‑emission of carbon dots/Rhodamine B nanocomposite ［J］. J. Colloid Interface Sci. ， 2019 ， 552 ： 572 - 582 . doi: 10.1016/j.jcis.2019.05.088 http://dx.doi.org/10.1016/j.jcis.2019.05.088

JI Y N ， XU W ， WANG Y ， et al . Supersensitive sensing based on upconversion nanoparticles through cascade photon amplification at single‑particle level ［J］. Sens. Actuators B Chem. ， 2022 ， 367 ： 132125 . doi: 10.1016/j.snb.2022.132125 http://dx.doi.org/10.1016/j.snb.2022.132125

JIA H ， LI D G ， ZHANG D ， et al . High color‑purity red， green， and blue‑emissive core‑shell upconversion nanoparticles using ternary near‑infrared quadrature excitations ［J］. ACS Appl. Mater. Interfaces ， 2021 ， 13 （ 3 ）： 4402 - 4409 . doi: 10.1021/acsami.0c19902 http://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c19902

ZHANG J J ， LU Y ， CAI M Z ， et al . 2.8 μm emission and OH quenching analysis in Ho 3+ doped fluorotellurite‑germanate glasses sensitized by Yb 3+ and Er 3+ ［J］. Sci. Rep. ， 2017 ， 7 （ 1 ）： 16794 . doi: 10.1038/s41598-017-16937-7 http://dx.doi.org/10.1038/s41598-017-16937-7

WANG K X ， WU H ， PAN G H ， et al . Enhanced upconversion luminescence and optical thermometry in Er 3+ /Yb 3+ heavily doped ZrO 2 by stabilizing in the monoclinic phase ［J］. Mater. Chem. Front. ， 2021 ， 5 （ 13 ）： 5142 - 5149 . doi: 10.1039/d1qm00440a http://dx.doi.org/10.1039/d1qm00440a

MENG Q Y ， CHEN L ， ZHANG S Q ， et al . Enhanced photoluminescence and high temperature sensitivity in rare earth doped glass ceramics containing NaGd（WO 4 ） 2 nanocrytals ［J］. J. Lumin. ， 2019 ， 216 ： 116727-1 - 7 . doi: 10.1016/j.jlumin.2019.116727 http://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2019.116727

LIU Y W ， MENG L S ， WANG H ， et al . Promising lanthanide‑doped BiVO 4 phosphors for highly efficient upconversion luminescence and temperature sensing ［J］. Dalton Trans. ， 2021 ， 50 （ 3 ）： 960 - 969 . doi: 10.1039/d0dt03377d http://dx.doi.org/10.1039/d0dt03377d

KSHETRI Y K ， REGMI C ， CHAUDHARY B ， et al . BiVO 4 ceramics for high‑sensitivity and high‑temperature optical thermometry ［J］. J. Lumin. ， 2021 ， 230 ： 117739-1 - 9 . doi: 10.1016/j.jlumin.2020.117739 http://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2020.117739

WANG D Y ， MA P C ， ZHANG J C ， et al . Efficient down‑ and up‑conversion luminescence in Er 3+ ‑Yb 3+ co‑doped Y 7 O 6 F 9 for photovoltaics ［J］. ACS Appl. Energy Mater. ， 2018 ， 1 （ 2 ）： 447 - 454 . doi: 10.1021/acsaem.7b00093 http://dx.doi.org/10.1021/acsaem.7b00093

MA M ， XU C F ， YANG L W ， et al . Intense ultraviolet and blue upconversion emissions in Yb 3+ ‑Tm 3+ codoped stoichiometric Y 7 O 6 F 9 powder ［J］. Phys. B ， 2011 ， 406 （ 17 ）： 3256 - 3260 . doi: 10.1016/j.physb.2011.05.035 http://dx.doi.org/10.1016/j.physb.2011.05.035

HAO H Y ， LU Z M ， LU H Y ， et al . Yb 3+ concentration on emission color， thermal sensing and optical heater behavior of Er 3+ doped Y 6 O 5 F 8 phosphor ［J］. Ceram. Int. ， 2017 ， 43 （ 14 ）： 10948 - 10954 . doi: 10.1016/j.ceramint.2017.05.133 http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.05.133

YU J B ， HU L L ， SHEN Y J ， et al . Phase change of NaYF 4 ∶Er crystals in oxyfluoride phosphate upconversion luminescent glass ceramics： an advanced solid‑state NMR study ［J］. Inorg. Chem. ， 2021 ， 60 （ 8 ）： 5868 - 5881 . doi: 10.1021/acs.inorgchem.1c00283 http://dx.doi.org/10.1021/acs.inorgchem.1c00283

ZHAO Z Y ， AI B ， LIU C ， et al . Effects of YF 3 doping on the optical properties of Er 3+ ions in oxyfluoride glass‑ceramics ［J］. J. Lumin. ， 2014 ， 153 ： 252 - 258 . doi: 10.1016/j.jlumin.2014.03.045 http://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2014.03.045

LI X ， CHENG Y ， XU J ， et al . Utilizing Au‑CuS heterodimer to intensify upconversion emission of NaGdF 4 ∶Yb/Er nanocrystals ［J］. J. Mater. Sci. ， 2020 ， 55 （ 16 ）： 6891 - 6902 . doi: 10.1007/s10853-020-04512-x http://dx.doi.org/10.1007/s10853-020-04512-x

DU P ， HUANG X Y ， YU J S . Yb 3+ ‑concentration dependent upconversion luminescence and temperature sensing behavior in Yb 3+ /Er 3+ codoped Gd 2 MoO 6 nanocrystals prepared by a facile citric⁃assisted sol⁃gel method ［J］. Inorg. Chem. Front. ， 2017 ， 4 （ 12 ）： 1987 - 1995 . doi: 10.1039/c7qi00497d http://dx.doi.org/10.1039/c7qi00497d

WANG S X ， LIN J D ， LI X Y ， et al . Glass⁃limited Yb/Er∶NaLuF 4 nanocrystals： reversible hexagonal⁃to⁃cubic phase transition and anti‑counterfeiting ［J］. J. Mater. Chem. C ， 2020 ， 8 （ 45 ）： 16151 - 16159 . doi: 10.1039/d0tc03775c http://dx.doi.org/10.1039/d0tc03775c

ZHANG Z Y ， WU Y F ， SUO H ， et al . Optical thermometric properties of square⁃like KLa（MoO 4 ） 2 ⁃Yb 3+ /Er 3+ up⁃converting phosphors ［J］. Mater. Res. Bull. ， 2020 ， 133 ： 111079-1 - 6 . doi: 10.1016/j.materresbull.2020.111079 http://dx.doi.org/10.1016/j.materresbull.2020.111079

SONG N ， LIU S B ， ZHANG P ， et al . Enhancing upconversion of Nd 3+ through Yb 3+ ‑mediated energy cycling towards temperature sensing ［J］. J. Rare Earths ， 2021 ， 39 （ 12 ）： 1506 - 1511 . doi: 10.1016/j.jre.2021.06.013 http://dx.doi.org/10.1016/j.jre.2021.06.013

金叶，李坤，罗旭，等 . Sc 2 （WO 4 ） 3 ∶Er 3+ /Yb 3+ 的上转换发光及其温度传感特性［J］. 发光学报， 2021 ， 42 （ 1 ）： 91 - 97 . doi: 10.37188/cjl.20200326 http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20200326

JIN Y ， LI K ， LUO X ， et al . Upconversion luminescence and temperature sensing properties for Sc 2 （WO 4 ） 3 ∶Er 3+ /Yb 3+ ［J］. Chin. J. Lumin. ， 2021 ， 42 （ 1 ）： 91 - 97 . （in Chinese） . doi: 10.37188/cjl.20200326 http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20200326

张旭霞，李斌，张黎明，等 . 有机-无机复合纳米材料的传感应用及机理［J］. 中国光学， 2015 ， 8 （ 4 ）： 651 - 666 . doi: 10.3788/co.20150804.0651 http://dx.doi.org/10.3788/co.20150804.0651

ZHANG X X ， LI B ， ZHANG L M ， et al . Sensing application and mechanism of organic‑inorganic nanocomposites ［J］. Chin. Opt. ， 2015 ， 8 （ 4 ）： 651 - 666 . （in Chinese） . doi: 10.3788/co.20150804.0651 http://dx.doi.org/10.3788/co.20150804.0651

HU C L ， YANG M ， YU H ， et al . Synthesis of the wire‑in‑tube structure porous C 12 H 12 O 12 S 3 Tb 2 @g⁃C 3 N 4 /ZnO luminescent composite in hydrothermal condition ［J］. J. Alloys Compd. ， 2022 ， 900 ： 163397 . doi: 10.1016/j.jallcom.2021.163397 http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.163397

YU H Q ， TIAN Z ， WANG H R ， et al . Electrospinning‑derived YVO 4 ∶Er/Yb nanowires and nanotubes with temperature sensitivity of their up‑converted emission ［J］. Ceram. Int. ， 2021 ， 47 （ 18 ）： 25777 - 25784 . doi: 10.1016/j.ceramint.2021.05.305 http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.05.305

WANG Z H ， ZHANG L ， LIU J ， et al . A flexible bimodal sensor based on an electrospun nanofibrous structure for simultaneous pressure⁃temperature detection ［J］. Nanoscale ， 2019 ， 11 （ 30 ）： 14242 - 14249 . doi: 10.1039/c9nr03098k http://dx.doi.org/10.1039/c9nr03098k

PADMARAJ O ， RAO B N ， JENA P ， et al . Electrochemical studies of electrospun organic/inorganic hybrid nanocomposite fibrous polymer electrolyte for lithium battery ［J］. Polymer ， 2014 ， 55 （ 5 ）： 1136 - 1142 . doi: 10.1016/j.polymer.2014.01.015 http://dx.doi.org/10.1016/j.polymer.2014.01.015

WADE S A ， COLLINS S F ， BAXTER G W . Fluorescence intensity ratio technique for optical fiber point temperature sensing ［J］. J. Appl. Phys. ， 2003 ， 94 （ 8 ）： 4743 - 4756 . doi: 10.1063/1.1606526 http://dx.doi.org/10.1063/1.1606526

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