基于Er3+/Yb3+共掺近纯绿上转换发光荧光粉的高性能柔性光纤传感器及其植入式温度监测应用

《Advanced Materials Interfaces》：High Performance Flexible Optical Fiber Sensor Enabled by Er3+/Yb3+ Co-Doped near Pure-Green Upconversion Emission Phosphor for Implantable Temperature Sensing

本文报道了一种基于NaLu(WO4)2:Er3+/Yb3+近纯绿上转换（UC）荧光粉的双包层光纤温度传感器（OFTS）。该传感器通过抑制Er3+的红光发射（4F9/2→4I15/2），实现了以热耦合能级（2H11/2/4S3/2）荧光强度比（FIR）为核心的高精度测温（误差±0.155°C），并具备抗电磁干扰、机械形变及化学腐蚀等优势，成功应用于钠离子软包电池内部热管理和油水体系温度分布监测，为植入式温度传感提供了新材料设计思路与器件方案。

　　

1 引言

温度作为关键热力学参数，其精确检测在科学研究与工业应用中具有重要意义。传统电学温度传感器易受电磁干扰且存在腐蚀风险，而热成像技术仅能测量表面温度。基于荧光强度比（FIR）的上转换（UC）发光测温技术凭借自校准特性与高空间分辨率成为新兴解决方案。其中，Er³⁺因具有稳定的热耦合能级（²H_11/2和⁴S_3/2）被广泛用于温度传感，但其与Yb³⁺共掺材料常存在竞争性红光发射（⁴F_9/2→⁴I_15/2），导致荧光信号弱化与器件性能下降。本研究通过筛选具有近纯绿UC发射的NaLu(WO₄)₂:Er³⁺/Yb³⁺荧光粉，构建高性能双包层聚合物光纤温度传感器（POF），实现植入环境下的精准温度监测。

2 结果与讨论

材料设计与发光机制

NaLu(WO₄)₂具有白钨矿结构（空间群I4₁/a），其中[LuO₈]多面体呈孤立分布（层内Lu-Lu距离5.17 ?），有效抑制Er³⁺离子间的交叉弛豫（CR）。优化后的成分为NaLu(WO₄)₂:3%Er³⁺/25%Yb³⁺，其绿光发射（521 nm和553 nm）源自双光子吸收过程，红光发射强度比（R/G）低至0.042。通过变功率光谱与能级分析，证实红光发射主要源于CR过程，而多声子弛豫（MPR）概率因基质声子能量较高（917 cm^?1）被显著抑制，从而维持近纯绿发射特性。

光纤传感器性能

以荧光粉与光学封装胶（OE）质量比1:100制备的双包层POF（POF-2），其光学损耗仅为0.31 dB cm^?1，信噪比（SNR）达31.57 dB。基于Boltzmann分布的FIR测温模型拟合得到能级差ΔE=883.55 cm^?1，在298 K时相对灵敏度（S_R）达1.43% K^?1。传感器在303 K下的测量误差为±0.155 K，温度分辨率为0.5 K，且连续30分钟测试的标准偏差低于0.124 K。此外，POF对激光功率波动（41.9–83.2 mW）、机械弯曲/按压、电磁场（直流电场与磁场）及盐酸环境均表现出强抗干扰性。

植入式应用验证

将POF植入钠离子软包电池（NFPP/硬碳体系）正极附近，实时监测不同倍率（1 C/1.5 C/2 C）充放电过程中的内部温度变化。在2 C倍率下电池温度升至307.1 K，并伴随容量异常下降，表明传感器可早期预警电池热失效。在油水混合体系中，通过移动POF成功捕获界面处因热导率差异导致的温度跃变（水层317 K→油层312.5 K），证实其在复杂流体温度梯度监测中的潜力。

3 结论

本研究开发了一种基于近纯绿UC发射荧光粉的柔性光纤温度传感器，通过材料结构设计有效抑制非辐射跃迁，实现高精度、抗干扰的植入式温度监测，为能源器件热管理及生物医学传感提供了新工具。

4 实验方法

荧光粉采用高温固相法合成（1000°C烧结4 h），光纤以OE为芯层/内包层、PDMS为外包层，通过旋转涂覆与阶梯固化工艺制备。电化学测试使用Neware系统，光学表征结合光谱仪与温控平台，统计数据分析基于FIR-T拟合公式实时计算。