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Dual-Mode Upconversion Nanoprobe Enables Broad-Range Thermometry from Cryogenic to Room Temperature

材料科学 纳米探针 光子上转换 低温 光电子学 双模 大气温度范围 航程(航空) 纳米颗粒 纳米技术 兴奋剂 工程类 航空航天工程 物理 气象学 复合材料
作者
Yunfei Shang,Qi Han,Shuwei Hao,Tong Chen,Yuyan Zhu,Zhongyang Wang,Chunhui Yang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:11 (45): 42455-42461 被引量:86
标识
DOI:10.1021/acsami.9b11751
摘要

Noncontact optical thermometers based on the luminescence intensity ratio of two thermally coupled energy levels, exhibiting high sensitivity, excellent accuracy, fast response, and low environment dependence, have attracted great interests in scientific research, life activities, and industrial manufacturing processes. However, the use of optical thermometers in extreme atmospheres (below 150 K) is usually limited by the required large temperature activation because of the relatively big energy difference (200 cm-1 ≤ ΔE ≤ 2000 cm-1). Here, we propose a strategy to alleviate the ultralow temperature-sensing problem by exploiting and utilizing the near-infrared (NIR) thermally coupled Stark sublevels of Tm3+ (3H4|0 → 3H6/3H4|1 → 3H6, ΔE ≈ 300 cm-1) that is much sensitive to minimal temperature variation, especially at ultralow temperatures because of the tiny energy difference. The integration of ultralow temperature-sensitive Tm3+ ions and room-temperature-sensitive Er3+ ions in an ultrasmall α-NaYbF4:Tm3+@CaF2@NaYF4:Yb3+/Er3+@CaF2 core/multishell nanoparticle (∼15 nm) as a dual-mode upconversion luminescent nanoprobe enables the broad-range temperature detection from 10 to 295 K. This structure induces ∼14 times NIR emission and ∼sixfold green upconversion luminescence output in comparison with the α-NaYbF4:Tm3+ core and α-NaYbF4:Tm3+@CaF2@NaYF4:Yb3+/Er3+ core/shell/shell nanoparticles. The maximum absolute and relative sensitivities of this dual-mode temperature sensor reach 0.67% and 3.06% K-1, respectively, showing the advantage of the concurrent utilization of the Tm3+ NIR 801/820 nm band ratio and the typical Er3+ visible 521/538 nm band ratio for a wide-range temperature-sensing purpose. This work provides a promising strategy to develop accurate and effective, contactless broad-range/ultralow temperature sensors.
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