發(fā)光溫度測量技術(shù)利用材料的光致發(fā)光特性與溫度的依賴性，已成為遠(yuǎn)程溫度傳感的關(guān)鍵工具，尤其是在傳統(tǒng)接觸式溫度計(jì)不實(shí)用或不夠理想的環(huán)境中[[1], [2], [3], [4]]。該方法具有顯著優(yōu)勢，包括高空間分辨率、快速響應(yīng)時(shí)間、抗電磁干擾能力以及低侵入性，因此在微尺度應(yīng)用中尤為寶貴[[5], [6], [7]]。
基于兩個(gè)選定波段之間的發(fā)光強(qiáng)度比（LIR）進(jìn)行測量的比率溫度傳感策略被認(rèn)為是最有前景的方法之一，因?yàn)樗梢允褂孟鄬?duì)簡單的設(shè)備進(jìn)行，不需要外部參考源，并且對(duì)系統(tǒng)誤差（如激發(fā)功率或探針數(shù)量的變化）具有更強(qiáng)的魯棒性[[8], [9], [10]]。比率溫度測量通常基于熱耦合能級(jí)之間的電子重新分布。上述傳感原理稱為玻爾茲曼型溫度測量，具有明確的物理意義，既可用于一級(jí)溫度計(jì)也可用于二級(jí)溫度計(jì)[[11], [12], [13]]。盡管這兩種方法都能確定溫度，但它們?cè)陟`敏度、測量精度和實(shí)際應(yīng)用方面存在明顯的優(yōu)缺點(diǎn)。一級(jí)溫度計(jì)依靠基本物理定律或狀態(tài)方程提供絕對(duì)溫度測量；迄今為止，一級(jí)發(fā)光溫度測量主要基于玻爾茲曼定律（對(duì)于激發(fā)態(tài)或基態(tài)能級(jí)）[13,14]、Varshni定律[15]以及Mott–Seitz壽命熱淬滅模型[16,17]。對(duì)于二級(jí)溫度計(jì)，僅憑測量得到的參數(shù)無法直接計(jì)算溫度，因此校準(zhǔn)過程至關(guān)重要[18]。與一級(jí)溫度計(jì)相比，二級(jí)溫度計(jì)通常具有更高的熱靈敏度，更具實(shí)用性[18]。
在眾多用于比率光學(xué)溫度測量的發(fā)光材料中，摻雜稀土的熒光體因其獨(dú)特的光譜特性而受到廣泛關(guān)注，例如豐富的能級(jí)、強(qiáng)烈的窄線、較大的偽斯托克斯位移、無光漂白和閃爍現(xiàn)象[[19], [20], [21]]。由于豐富的電子結(jié)構(gòu)，許多稀土離子具有適合比率溫度測量的熱耦合能級(jí)，例如Pr3+[22,23]、Nd3+[24,25]、Eu3+[26,27]、Dy3+[28,29]、Ho3+[30,31]、Tm3+[32,33]。鉺離子尤為突出，因?yàn)樗鼈冏钤绫挥糜诓柶澛蜏囟葴y量，至今仍是溫度傳感中最常用的鑭系元素之一。此外，摻雜Er3+的材料可以同時(shí)表現(xiàn)出下行轉(zhuǎn)換和上行轉(zhuǎn)換發(fā)光特性[[34], [35], [36]]。為了提高上行轉(zhuǎn)換效率，常加入Yb3+作為共摻雜元素，因?yàn)殍O具有強(qiáng)的吸收截面和高效的Yb3+–Er3+能量轉(zhuǎn)移[37], [38], [39], [40]]。
選擇Ln2O3作為高效的晶體基質(zhì)，用于摻雜Er3+/Yb3+以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)烈的下行和上行轉(zhuǎn)換發(fā)光。這些亞氧化物具有相對(duì)較低的聲子能量，從而降低了多聲子非輻射弛豫率，增強(qiáng)了稀土離子激發(fā)態(tài)的輻射發(fā)射概率。此外，Ln2O3的高化學(xué)穩(wěn)定性和熱導(dǎo)率確保了即使在長時(shí)間激發(fā)或惡劣環(huán)境條件下也能保持穩(wěn)定的發(fā)光性能，使其特別適合光學(xué)溫度測量應(yīng)用。
在本手稿中，我們?cè)敿?xì)比較了使用摻雜Er3+/Yb3+的Ln2O3材料在一級(jí)和二級(jí)比率溫度測量技術(shù)中的表現(xiàn)。通過測量微電子組件的溫度來驗(yàn)證這些方法的有效性，從而了解其在實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)用性、靈敏度和準(zhǔn)確性。這項(xiàng)研究不僅將推動(dòng)發(fā)光溫度測量領(lǐng)域的發(fā)展，還將促進(jìn)光學(xué)傳感技術(shù)在技術(shù)挑戰(zhàn)中的應(yīng)用。
