无机卤化物钙钛矿量子点微球腔荧光增强自参考温度传感研究

李茜; 赵晨; 米彦霖; 闫胤洲

doi:10.37188/CJL.20230066

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无机卤化物钙钛矿量子点微球腔荧光增强自参考温度传感研究

材料合成及性能 | 更新时间：2023-11-01

- 无机卤化物钙钛矿量子点微球腔荧光增强自参考温度传感研究
  增强出版
- Self-reference Temperature Sensing via Fluorescence Enhancement of Microsphere-cavity-coupled Inorganic Halide Perovskite Quantum Dots
- 发光学报 2023年44卷第10期页码：1786-1796
- 作者机构：
  
  北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院，北京　100124
- 作者简介：
  
  [ "李茜（1997-），女，河北石家庄人，硕士研究生，2020年于河北大学获得学士学位，主要从事荧光温度传感的研究。E⁃mail: Lisimeng@emails.bjut.edu.cn" ]
  [ "赵晨（1989-），男，北京人，博士，助理研究员，2018年于首都师范大学获得博士学位，主要从事微纳光子器件、光场调控、激光辐射和光学传感等领域的研究。" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(12074019);北京市教委科技计划重点项目(KZ202110005002)
- DOI：10.37188/CJL.20230066
  中图分类号： O482.31
- 收稿日期：2023-03-20，
  
  修回日期：2023-04-04，
  
  纸质出版日期：2023-10-05
- 稿件说明：
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李茜,赵晨,米彦霖等.无机卤化物钙钛矿量子点微球腔荧光增强自参考温度传感研究[J].发光学报,2023,44(10):1786-1796.

LI Xi,ZHAO Chen,MI Yanlin,et al.Self-reference Temperature Sensing via Fluorescence Enhancement of Microsphere-cavity-coupled Inorganic Halide Perovskite Quantum Dots[J].Chinese Journal of Luminescence,2023,44(10):1786-1796.
李茜,赵晨,米彦霖等.无机卤化物钙钛矿量子点微球腔荧光增强自参考温度传感研究[J].发光学报,2023,44(10):1786-1796. DOI： 10.37188/CJL.20230066.

LI Xi,ZHAO Chen,MI Yanlin,et al.Self-reference Temperature Sensing via Fluorescence Enhancement of Microsphere-cavity-coupled Inorganic Halide Perovskite Quantum Dots[J].Chinese Journal of Luminescence,2023,44(10):1786-1796. DOI： 10.37188/CJL.20230066.

摘要

利用稀土离子掺杂材料、有机染料以及量子点等荧光材料实现荧光温度传感在航空航天、生物医疗、食品储存等领域具有重要意义。其中，无机卤化物钙钛矿量子点（PeQDs）荧光材料由于具有量子产率高，温度依赖性强等特点，在荧光温度传感领域展现了巨大的应用前景。然而，PeQDs只有一个光致荧光（PL）峰，其强度和位置极易受到浓度和尺寸等因素的干扰，因此用单一PL峰进行温度传感的准确性较低。在本工作中，我们提出了一种微球腔阵列（MCA）耦合PeQDs薄膜（MCA/PeQDs）的新型温度传感结构，利用MCA/PeQDs结构与PeQDs薄膜具有温度依赖性的PL峰值强度比实现温度传感。该结构通过微球腔中回音壁模式（WGMs）增强的Purcell效应提高了自发辐射速率，抑制了声子辅助猝灭效应，从而实现了较好的PeQDs荧光增强。结果表明，在223～373 K范围内，当PeQDs浓度为0.131 6 mg/mL、微球腔直径为（19±1） μm时，该结构的绝对灵敏度（

）与相对灵敏度（

）可达到0.75 K

-1

和1.95%·K

-1

。本工作克服了使用单个PL峰进行温度传感准确性差的缺点，为荧光材料在高性能荧光温度传感器中的应用开辟了新的途径。

Abstract

Rare earth ions doped materials， organic dyes and quantum dots are employed to realize the fluorescence temperature sensing which has great significance in aerospace， biomedicine， food storage，

etc

. Fluorescent materials of inorganic halide perovskite QDs（PeQDs） possess great application prospects in the field of fluorescence temperature sensing due to high quantum yield and strong temperature dependence. However， PeQDs have only one photoluminescence（PL） peak whose intensity and position are highly susceptible to interference from factors such as concentration and size， resulting in low accuracy in temperature sensing using this PL peak alone. In this work， we propose a novel temperature sensing structure using microsphere-cavity-array（MCA）capped PeQDs film（MCA/PeQDs）. Fluorescence temperature sensing is realized using the temperature dependent PL peak intensity ratio between the MCA/PeQDs structure and the bare one. Through the Purcell effect induced by microsphere cavity supported whispering-gallery modes（WGMs） in the microsphere cavity， the spontaneous emission rate is enhanced， and the phonon assisted thermal quenching effect is suppressed， which results in better fluorescence enhancement of PeQDs. As a result， when the concentration of PeQDs is 0.131 6 mg/mL and the diameter of the microsphere is （19±1） μm， the absolute sensitivity（

） and relative sensitivity（

） can achieve 0.75 K

-1

and 1.95%·K

-1

. The present work overcomes the poor accuracy of temperature sensing in single PL peak and opens up a new way for fluorescence materials used in fluorescence temperature sensing with high performance.

关键词

Keywords

references

XU H K ， CHEN W J ， WANG C Y ， et al . Ultralight and flexible silver nanoparticle-wrapped “scorpion pectine-like” polyimide hybrid aerogels as sensitive pressor sensors with wide temperature range and consistent conductivity response ［J］. Chem. Eng. J. ， 2023 ， 453 ： 139647-1 - 12 . doi: 10.1016/j.cej.2022.139647 http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2022.139647

LIU G F ， WANG Z X ， SUN W ， et al . Robust emission in near-infrared II of lanthanide nanoprobes conjugated with Au-（LNPs-Au） for temperature sensing and controlled photothermal therapy ［J］. Chem. Eng. J. ， 2023 ， 452 ： 139504-1 - 10 . doi: 10.1016/j.cej.2022.139504 http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2022.139504

FENG T T ， YE Y X ， LIU X ， et al . A robust mixed-lanthanide polyMOF membrane for ratiometric temperature sensing ［J］. Angew. Chem. ， 2020 ， 132 （ 48 ）： 21936 - 21941 . doi: 10.1002/ange.202009765 http://dx.doi.org/10.1002/ange.202009765

LÓPEZ A J ， RUIZ-MOLINA D ， LANDFESTER K ， et al . Off/on fluorescent nanoparticles for tunable high-temperature threshold sensing ［J］. Adv. Funct. Mater. ， 2018 ， 28 （ 28 ）： 1801492-1-7 . doi: 10.1002/adfm.201801492 http://dx.doi.org/10.1002/adfm.201801492

DI Q ， LI L ， MIAO X D ， et al . Fluorescence-based thermal sensing with elastic organic crystals ［J］. Nat. Commun. ， 2022 ， 13 （ 1 ）： 5280-1-8 . doi: 10.1038/s41467-022-32894-w http://dx.doi.org/10.1038/s41467-022-32894-w

FENG G F ， ZHANG H Z ， ZHU X H ， et al . Fluorescence thermometers： intermediation of fundamental temperature and light ［J］. Biomater. Sci. ， 2022 ， 10 （ 8 ）： 1855 - 1882 . doi: 10.1039/d1bm01912k http://dx.doi.org/10.1039/d1bm01912k

BRITES C D S ， BALABHADRA S ， CARLOS L D . Lanthanide-based thermometers： at the cutting-edge of luminescence thermometry ［J］. Adv. Opt. Mater. ， 2019 ， 7 （ 5 ）： 1801239-1-30 . doi: 10.1002/adom.201801239 http://dx.doi.org/10.1002/adom.201801239

WANG Q ， TANG Z H ， LI L H ， et al . Highly efficient red-emitting carbon dots as a “turn-on” temperature probe in living cells ［J］. Spectrochim. Acta A Mol. Biomol. Spectrosc. ， 2022 ， 280 ： 121538-1 - 9 . doi: 10.1016/j.saa.2022.121538 http://dx.doi.org/10.1016/j.saa.2022.121538

CHI F F ， JIANG B ， ZHAO Z M ， et al . Multimodal temperature sensing using Zn 2 GeO 4 ∶Mn 2+ phosphor as highly sensitive luminescent thermometer ［J］. Sens. Actuators B Chem. ， 2019 ， 296 ： 126640-1 - 8 . doi: 10.1016/j.snb.2019.126640 http://dx.doi.org/10.1016/j.snb.2019.126640

XUE K ， WANG C ， WANG J X ， et al . A sensitive and reliable organic fluorescent nanothermometer for noninvasive temperature sensing ［J］. J. Am. Chem. Soc. ， 2021 ， 143 （ 35 ）： 14147 - 14157 . doi: 10.1021/jacs.1c04597 http://dx.doi.org/10.1021/jacs.1c04597

LI P P ， JIA M C ， LIU G F ， et al . Investigation on the fluorescence intensity ratio sensing thermometry based on nonthermally coupled levels ［J］. ACS Appl. Bio. Mater. ， 2019 ， 2 （ 4 ）： 1732 - 1739 . doi: 10.1021/acsabm.9b00115 http://dx.doi.org/10.1021/acsabm.9b00115

ZHANG Y Q ， LIU J M ， ZHANG H L ， et al . Ultra-stable Tb 3+ ∶CsPbI 3 nanocrystal glasses for wide-range high-sensitivity optical temperature sensing ［J］. J. Eur. Ceram. Soc. ， 2020 ， 40 （ 15 ）： 6023 - 6030 . doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.07.016 http://dx.doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.07.016

JIN J W ， LIN J ， HUANG Y P ， et al . High sensitivity ratiometric fluorescence temperature sensing using the microencapsulation of CsPbBr 3 and K 2 SiF 6 ∶Mn 4+ phosphor ［J］. Chin. Chem. Lett. ， 2022 ， 33 （ 11 ）： 4798 - 4802 . doi: 10.1016/j.cclet.2022.01.017 http://dx.doi.org/10.1016/j.cclet.2022.01.017

VYŠNIAUSKAS A ， CORNELL B ， SHERIN P S ， et al . Cyclopropyl substituents transform the viscosity-sensitive BODIPY molecular rotor into a temperature sensor ［J］. ACS Sens. ， 2021 ， 6 （ 6 ）： 2158 - 2167 . doi: 10.1021/acssensors.0c02275 http://dx.doi.org/10.1021/acssensors.0c02275

ĆIRIĆ A ， STOJADINOVIĆ S ， RISTIĆ Z ， et al . Supersensitive Sm 2+ -activated Al 2 O 3 thermometric coatings for high-resolution multiple temperature read-outs from luminescence ［J］. Adv. Mater. Technol. ， 2021 ， 6 （ 4 ）： 2001201 . doi: 10.1002/admt.202001201 http://dx.doi.org/10.1002/admt.202001201

ZHOU L H ， DU P ， LI W P ， et al . Lithium ion doping triggered splendid quantum efficiency and thermal stability in Li 2 SrSiO 4 ∶ x Eu 2+ phosphors for optical thermometry and high luminous efficiency white-LED ［J］. New J. Chem. ， 2019 ， 43 （ 42 ）： 16445 - 16453 . doi: 10.1039/C9NJ04102H http://dx.doi.org/10.1039/C9NJ04102H

LU H Y ， YANG J S ， HUANG D C ， et al . Ultranarrow NIR bandwidth and temperature sensing of YOF∶Yb 3+ /Tm 3+ phosphor in low temperature range ［J］. J. Lumin. ， 2019 ， 206 ： 613 - 617 . doi: 10.1016/j.jlumin.2018.10.091 http://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2018.10.091

AMARASINGHE D K ， RABUFFETTI F A . Bandshift luminescence thermometry using Mn 4+ ∶Na 4 Mg（WO 4 ） 3 phosphors ［J］. Chem. Mater. ， 2019 ， 31 （ 24 ）： 10197 - 10204 .

BAFFOU G ， KREUZER M P ， KULZER F ， et al . Temperature mapping near plasmonic nanostructures using fluorescence polarization anisotropy ［J］. Opt. Express ， 2009 ， 17 （ 5 ）： 3291 - 3298 . doi: 10.1364/oe.17.003291 http://dx.doi.org/10.1364/oe.17.003291

ZHANG X G ， HUANG Y M ， GONG M L . Dual-emitting Ce 3+ ， Tb 3+ co-doped LaOBr phosphor： Luminescence， energy transfer and ratiometric temperature sensing ［J］. Chem. Eng. J. ， 2017 ， 307 ： 291 - 299 . doi: 10.1016/j.cej.2016.08.087 http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2016.08.087

WANG C Y ， LIN H ， XIANG X Q ， et al . CsPbBr 3 /EuPO 4 dual-phase devitrified glass for highly sensitive self-calibrating optical thermometry ［J］. J. Mater. Chem. C ， 2018 ， 6 （ 37 ）： 9964 - 9971 . doi: 10.1039/c8tc03457e http://dx.doi.org/10.1039/c8tc03457e

ZHONG J S ， CHEN D Q ， PENG Y Z ， et al . A review on nanostructured glass ceramics for promising application in optical thermometry ［J］. J. Alloys Compd. ， 2018 ， 763 ： 34 - 48 . doi: 10.1016/j.jallcom.2018.05.348 http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.05.348

LI X Y ， YU Y L ， HONG J Q ， et al . Optical temperature sensing of Eu 3+ -doped oxyhalide glasses containing CsPbBr 3 perovskite quantum dots ［J］. J. Lumin. ， 2020 ， 219 ： 116897-1 - 8 . doi: 10.1016/j.jlumin.2019.116897 http://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2019.116897

ZHUANG B ， LIU Y ， YUAN S ， et al . Glass stabilized ultra-stable dual-emitting Mn-doped cesium lead halide perovskite quantum dots for cryogenic temperature sensing ［J］. Nanoscale ， 2019 ， 11 （ 32 ）： 15010 - 15016 . doi: 10.1039/c9nr05831a http://dx.doi.org/10.1039/c9nr05831a

YANG Y S ， LIU Z D ， CHEN D ， et al . Multifunctional N-doped graphene quantum dots towards tetracycline detection， temperature sensing and high-performance WLEDs ［J］. J. Photochem. Photobiol. A Chem. ， 2021 ， 405 ： 112977-1 - 8 . doi: 10.1016/j.jphotochem.2020.112977 http://dx.doi.org/10.1016/j.jphotochem.2020.112977

LU M C ， ZHOU L . One-step sonochemical synthesis of versatile nitrogen-doped carbon quantum dots for sensitive detection of Fe 2+ ions and temperature in vitro ［J］. Mater. Sci. Eng. C ， 2019 ， 101 ： 352 - 359 . doi: 10.1016/j.msec.2019.03.109 http://dx.doi.org/10.1016/j.msec.2019.03.109

GUO J J ， ZHOU B Q ， YANG C X ， et al . Stretchable and temperature-sensitive polymer optical fibers for wearable health monitoring ［J］. Adv. Funct. Mater. ， 2019 ， 29 （ 33 ）： 1902898-1-8 . doi: 10.1002/adfm.201902898 http://dx.doi.org/10.1002/adfm.201902898

STEINEGGER A ， KLIMANT I ， BORISOV S M . Purely organic dyes with thermally activated delayed fluorescence：a versatile class of indicators for optical temperature sensing ［J］. Adv. Opt. Mater. ， 2017 ， 5 （ 18 ）： 1700372-1-13 . doi: 10.1002/adom.201700372 http://dx.doi.org/10.1002/adom.201700372

FENG J ， XIONG L ， WANG S Q ， et al . Fluorescent temperature sensing using triarylboron compounds and microcapsules for detection of a wide temperature range on the micro- and macroscale ［J］. Adv. Funct. Mater. ， 2013 ， 23 （ 3 ）： 340 - 345 . doi: 10.1002/adfm.201201712 http://dx.doi.org/10.1002/adfm.201201712

ZHAO Y ， WANG X S ， ZHANG Y ， et al . Optical temperature sensing of up-conversion luminescent materials： fundamentals and progress ［J］. J. Alloys Compd. ， 2020 ， 817 ： 152691-1 - 27 . doi: 10.1016/j.jallcom.2019.152691 http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.152691

HUANG Y P ， LAI Z W ， JIN J W ， et al . Ultrasensitive temperature sensing based on ligand-free alloyed CsPbCl x Br 3- x perovskite nanocrystals confined in hollow mesoporous silica with high density of halide vacancies ［J］. Small ， 2021 ， 17 （ 46 ）： 2103425-1-10 . doi: 10.1002/smll.202103425 http://dx.doi.org/10.1002/smll.202103425

ZHAO C ， CHEN W J ， WEI J X ， et al . Electrically tunable and robust bound states in the continuum enabled by 2D transition metal dichalcogenide ［J］. Adv. Opt. Mater. ， 2022 ， 10 （ 24 ）： 2201634-1-8 . doi: 10.1002/adom.202201634 http://dx.doi.org/10.1002/adom.202201634

LI S R ， LUO J J ， LIU J ， et al . Self-trapped excitons in all-inorganic halide perovskites： fundamentals， status， and potential applications ［J］. J. Phys. Chem. Lett. ， 2019 ， 10 （ 8 ）： 1999 - 2007 . doi: 10.1021/acs.jpclett.8b03604 http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpclett.8b03604

LAO X Z ， ZHOU W ， BAO Y T ， et al . Photoluminescence signatures of thermal expansion， electron-phonon coupling and phase transitions in cesium lead bromide perovskite nanosheets ［J］. Nanoscale ， 2020 ， 12 （ 13 ）： 7315 - 7320 . doi: 10.1039/d0nr00025f http://dx.doi.org/10.1039/d0nr00025f

HE Y H ， MATEI L ， JUNG H J ， et al . High spectral resolution of gamma-rays at room temperature by perovskite CsPbBr 3 single crystals ［J］. Nat. Commun. ， 2018 ， 9 （ 1 ）： 1609-1-8 . doi: 10.1038/s41467-018-04073-3 http://dx.doi.org/10.1038/s41467-018-04073-3

LIU J Q ， ZHAO Y Y ， LI X L ， et al . Dual-emissive CsPbBr 3 @Eu-BTC composite for self-calibrating temperature sensing application ［J］. Cryst. Growth Des. ， 2020 ， 20 （ 1 ）： 454 - 459 . doi: 10.1021/acs.cgd.9b01374 http://dx.doi.org/10.1021/acs.cgd.9b01374

YAN Y Z ， YANG L X ， LIU W ， et al . Spontaneous radiation amplification in a microsphere-coupled CsPbBr 3 perovskite vertical structure ［J］. Adv. Opt. Mater. ， 2021 ， 9 （ 6 ）： 2001932-1-10 . doi: 10.1002/adom.202001932 http://dx.doi.org/10.1002/adom.202001932

YAN Y Z ， ZHANG X H ， LI X Z ， et al . Enhancement of valley polarization in monolayer WSe 2 coupled with microsphere-cavity-array ［J］. Adv. Funct. Mater. ， 2023 ， 33 （ 22 ）： 2213933-1-10 . doi: 10.1002/adfm.202213933 http://dx.doi.org/10.1002/adfm.202213933

李磊朋 . 稀土基荧光强度比测温方法的相对灵敏度及抗干扰研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2020 .

LI L P . On the Relative Sensitivity and Anti⁃interference of Rare Earth⁃based Luminescence Intensity Ratio Thermometry ［D］. Harbin ： Harbin Institute of Technology ， 2020 . （in Chinese）

YANG L X ， LI L ， WANG Q ， et al . Over 1 000-fold enhancement of the unidirectional photoluminescence from a microsphere-cavity-array-capped QD/PDMS composite film for flexible lighting and displays ［J］. Adv. Opt. Mater. ， 2019 ， 7 （ 24 ）： 1901228-1-10 . doi: 10.1002/adom.201901228 http://dx.doi.org/10.1002/adom.201901228

LU Y ， LI P P ， XIE W Q ， et al . Negative thermal quenching CsPbBr 3 glass-ceramic based on intrinsic radiation and vacancy defect co-induced dual-emission ［J］. J. Eur. Ceram. Soc. ， 2021 ， 41 （ 6 ）： 3635 - 3642 . doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2021.01.039 http://dx.doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.01.039

AO R ， XING L L ， YANG W Q . A high-brightness phosphor based on Yb 3+ /Er 3+ codoped Y 2 O 3 micro-crystals and controllable temperature sensing sensitivity via rare earth ions ［J］. Opt. Commun. ， 2021 ， 492 ： 126967-1 - 6 . doi: 10.1016/j.optcom.2021.126967 http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2021.126967

XU W ， ZHAO L ， SHANG F K ， et al . Modulating the thermally coupled status of energy levels in rare earth ions for sensitive optical temperature sensing ［J］. J. Lumin. ， 2022 ， 249 ： 119042-1 - 9 . doi: 10.1016/j.jlumin.2022.119042 http://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2022.119042

WANG C C ， HUANG Y Q ， HEYDARI E ， et al . Dual-mode optical ratiometric thermometer based on rare earth ions doped perovskite oxides with tunable luminescence ［J］. Ceram. Int. ， 2022 ， 48 （ 9 ）： 12578 - 12584 . doi: 10.1016/j.ceramint.2022.01.125 http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.01.125

LIU J Q ， YUE X Z ， WANG Z P ， et al . Coumarin 7 functionalized europium-based metal-organic-framework luminescent composites for dual-mode optical thermometry ［J］. J. Mater. Chem. C ， 2020 ， 8 （ 38 ）： 13328 - 13335 . doi: 10.1039/d0tc03365k http://dx.doi.org/10.1039/d0tc03365k

CAO W Q ， CUI Y J ， YANG Y ， et al . Dyes encapsulated nanoscale metal-organic frameworks for multimode temperature sensing with high spatial resolution ［J］. ACS Mater. Lett. ， 2021 ， 3 （ 9 ）： 1426 - 1432 . doi: 10.1021/acsmaterialslett.1c00334 http://dx.doi.org/10.1021/acsmaterialslett.1c00334

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