Российские ученые из Санкт-Петербурга разработали люминесцентные нанотермометры на основе редкоземельных ионов тербия и европия. Они позволяют определять температуру от -150 до 200 °С. Принцип работы термометра основан на явлении переноса энергии между двумя оптически активными центрами. Это помогает увеличить тепловую чувствительность сенсора и проводить измерения с точностью до десятых долей градуса. Благодаря новой разработке можно будет контролировать температуру устройств, которые работают в экстремальных условиях. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда, опубликованы в журнале Journal of Alloys and Compounds.
В различных отраслях производства именно температура является одним из самых важных параметров, который влияет на свойства материалов и различные процессы. Чаще всего для измерения температуры используют контактные термометры, которые нужно подносить к поверхности или помещать в среду. Часто для таких целей используют, например, ртутные термометры, которыми измеряют температуру человеческого тела.
Однако у таких устройств есть существенный недостаток: их невозможно использовать для микро- и нанообъектов, а также в условиях высокого давления или агрессивной окружающей среды. Поэтому ученые нашли альтернативный способ: бесконтактные оптические термометры, состоящие из материалов, которые светятся при поглощении излучения с определенными длинами волн. Их принцип работы прост: спектр люминесценции меняется даже при самом минимальном изменении температуры. Это позволяет точно ее замерить.
Теперь ученые из Санкт-Петербургского государственного университета и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого создали новые люминесцентные термометры на основе оксидных наночастиц, которые были активированы редкоземельными ионами тербия и европия. Первый испускает зеленое излучение, а второй — красное. При этом ионы тербия могут передавать энергию ионам европия, из-за чего усиливается интенсивность их люминесценции. Благодаря этому свойству ученые смогли использовать такую пару ионов для того, чтобы производить люминесцентную термометрию, так как даже при минимальном изменении температуры интенсивность свечения меняется.
Ученые создавали люминесцентные частицы с помощью золь-гель метода, который разработали члены научного коллектива. Размер этих частиц был менее 100 нанометров. Это позволяет определять температуру с субмикронным пространственным разрешением. Исследователи замерили спектры люминесценции этих наночастиц, а также проанализировали изменения, проходящие в них при повышении и понижении температуры. Выяснилось, что при нагревании ионы тербия активнее передают энергию ионам европия. Из-за этого интенсивность свечения первых снижается. А вот люминесценция ионов европия изменялась немонотонно: при увеличении температуры до 370 °С она возрастала, а после — снижалась. Это происходит из-за того, что между ионами происходят два разнонаправленных процесса: перенос энергии и температурного тушения.
«Синтезированные нами нанотермометры можно использовать в широком диапазоне температур, что существенно расширяет область их применения. При этом их тепловая чувствительность при температуре более 150 °С выше максимально достижимой чувствительности любых больцмановских люминесцентных термометров, благодаря чему можно существенно повысить точность определения температуры. В дальнейшем мы будем работать над последующим увеличением чувствительности, повысив эффективность переноса энергии между активными центрами», — рассказывает Илья Колесников, руководитель поддержанного грантом РНФ проекта, кандидат физико-математических наук, специалист ресурсного центра «Оптические и лазерные методы исследования вещества» СПбГУ.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
