集接触冷却和热电能量收集功能于一体的可穿戴冷却装置

本研究通过高温固相反应合成Er3?掺杂BaLa?WO?荧光材料，证实其具有双峰绿色荧光（528/547nm）及优异温度传感性能，灵敏度达1.381% K?1。该材料在3%掺杂浓度下制备出显色指数81.2的白光LED，并成功应用于高对比度指纹特征可视化。

　　

陈伟海|崔瑞瑞|彭星阳|齐崇辉|田长江|邓朝阳

贵州省功能复合材料重点实验室，贵州大学大数据与信息工程学院，贵阳550025，中国

摘要

在本研究中，通过高温固相反应方法成功合成了一系列掺杂Er³⁺的BaLa₂WO₇荧光材料。通过结构和形态表征确认，Er³⁺已有效掺入BaLa₂WO₇基体晶格中。在379纳米和980纳米波长的光源激发下，BaLa₂WO₇:Er³⁺荧光粉分别显示出中心波长为528纳米和547纳米的绿色发光。利用发光中心峰的分裂，并基于荧光强度比（FIR）技术，本文创新性地提出了一种多峰、多浓度比较方法，以实现双模式温度传感，从而提高了温度测量的灵敏度性能。在298–473 K的温度范围内，下转换发光的最大相对灵敏度和绝对灵敏度分别为1.381% K^?1（473 K）和1.474% K^?1（298 K）；而上转换发光的最大相对灵敏度和绝对灵敏度分别为1.27% K^?1（473 K）和0.97% K^?1（298 K）。在379纳米紫外光激发下，Er³⁺的最佳掺杂浓度确定为3%。基于BaLa₂WO₇:3%Er³⁺荧光粉，成功制备出一种具有高显色指数（R_a = 81.2）和低色温（5161 K）的白光LED器件。此外，该荧光粉在指纹可视化应用中表现出优异的性能，能够实现三级指纹特征的高对比度成像。结果表明，掺杂Er³⁺的BaLa₂WO₇荧光材料不仅具有出色的光学温度传感能力，而且在白光LED照明和指纹可视化领域也有广泛应用前景。

引言

近年来，基于荧光转换机制的白光发光二极管（WLED）由于其在能效、环保性、超长使用寿命和优异的发光效率方面的显著优势，在固态照明领域取得了突破性进展，逐渐取代了传统的荧光灯和白炽光源，成为室内和室外照明以及光电显示设备的核心技术解决方案[1]、[2]、[3]。传统的白光LED技术路线主要采用蓝色InGaN芯片激发稀土掺杂的YAG:Ce³⁺荧光粉发光模式，但这种方法存在光谱成分缺失导致红光波段辐射强度不足的固有缺陷，同时设备的热稳定性较差，显色性能参数（R_a < 80）和色温偏差（CCT > 6000 K）较大，这会在室内动态照明场景中引起视觉疲劳[4]、[5]、[6]。针对现有技术的局限性，研究团队创新性地提出了使用紫外光（UV-LED）芯片激发红、绿、蓝荧光粉发光系统，该技术制备的LED在CIE色度图中显示出更宽的色域覆盖范围，显色指数（CRI）也得到了提升[7]。研究表明，人眼对绿光的敏感度高于蓝光和红光，这使得绿光荧光材料成为白光发光二极管（pc-WLED）的核心元件[8]。然而，常见的商用绿光荧光粉如(Ba,Sr)₂SiO₄:Eu²⁺虽然发光效率高，但需要在高温和静态还原环境下合成，且化学稳定性较差。而BLWO（BaLa₂WO₇:Er³⁺绿光荧光粉在近紫外光谱区域具有高吸收效率，同时具有优异的化学稳定性和易于合成的特点，因此这种荧光粉材料在设计和制备pc-WLED方面具有很好的应用前景。

指纹识别作为生物特征认证领域的核心技术之一，自19世纪以来一直是法医鉴定的重要基础[9]。在多种指纹成像技术系统中，基于荧光材料标记的成像方案在潜在指纹成像领域显示出显著优势，这得益于其优异的灵敏度特性。当人体皮肤接触物体时，皮肤腺体分泌的脂质和代谢物（如氨基酸、尿素等）会在接触表面形成微量沉积物。尽管这些生化残留物肉眼不可见，但可以通过涂覆荧光材料在特定激发光下产生荧光信号，从而实现潜在指纹痕迹的可视化[10]。当手指接触物体表面时，皮脂腺会分泌出含有氨基酸、尿素等代谢物的生化沉积层[11]。这种潜在指纹可视化技术依赖于金属和磁性颗粒作为显影剂，但存在对比度低、灵敏度有限以及生物毒性风险等问题[11]、[12]、[13]。荧光材料被认为是解决上述问题的方法之一。因此，BLWO:Er³⁺在指纹可视化应用中具有广阔的应用前景。

光学温度测量技术因其快速响应和高精度等优点，在科学研究和工业温度测量领域得到了广泛应用。与传统接触式温度测量方法相比，它具有显著的技术优势[14]、[15]、[16]。目前，该领域已经开发出了多种基于光学原理的温度测量方法，主要包括荧光强度检测、FIR分析、荧光寿命测定和光谱表征等技术路径[17]、[18]。在各种光学温度测量技术中，FIR温度测量技术特别适用于高温极端环境下的温度监测，因为它对环境干扰的抵抗力强且测量精度高[19]、[20]。该技术的核心原理是利用两个具有不同温度响应特性的发光中心，通过构建它们发射强度的比值关系来实现温度测量，其中一个发光中心作为温度敏感单元，另一个作为内部参考信号，从而有效提高了测量的可靠性和稳定性[21]、[22]、[23]、[24]。

基于FIR的温度测量技术通过监测两个热耦合能级在温度变化下的发射峰强度变化来实现非接触式光学温度测量。该技术主要使用镧系激活剂，包括Dy³⁺、Er³⁺、Eu³⁺和Pr³⁺离子[25]、[26]、[27]。值得注意的是，Er³⁺离子的双模式发光机制同时利用了上转换和下转换光子转换，通过两种不同的发光形式实现不同的温度传感模式，从而构建了一个显著提高测量精度的双模式温度测量系统[28]、[29]、[30]、[31]。基于这些特性，预期掺杂铒离子的基底材料将表现出更优异的光学温度传感性能[32]。与文献中报道的掺杂Er³⁺的基质材料的光学温度传感性能进行对比（表1）显示，BLWO:Er³⁺系统在光学温度传感领域具有广阔的应用前景。

与氟化物基材料相比，氧化物基荧光材料在环境友好性、优异的热稳定性和良好的光学性能方面具有更大的应用潜力和发展空间[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]。由于稀土离子掺杂的钨酸盐基体材料具有优异的热稳定性、低声子能量特性和丰富的晶体结构特征，它们已成为荧光材料研究领域的重要体系[39]、[40]、[41]。在本研究中，通过高温固相法成功合成了一系列掺杂Er³⁺的BaLa₂WO₇荧光材料。使用XRD、XPS和SEM等多尺度表征方法系统分析了这些材料的微观结构，并详细研究了样品的光致发光和热稳定性特性。本文展示了BaLa₂WO₇:Er³⁺在光学温度测量、白光LED和指纹可视化方面的潜在应用，为多功能荧光荧光材料的研究与设计提供了宝贵经验。

材料合成

通过高温固相法制备了掺杂浓度梯度可调（x = 1%–6%）的BaLa₂WO₇荧光材料。合成过程中使用了高纯度氧化物（BaCO₃、La₂O₃、WO₃）和Er₂O₃（纯度均≥99.99%）作为前驱体，具体步骤如下：首先根据预先制定的实验剂量方案精确称量化学物质；随后将混合物研磨30分钟以实现均匀混合

晶体形态和结构表征

XRD图谱（图1(a)）的分析显示，不同Er³⁺掺杂浓度的BLWO Er³⁺材料保持了BaLa₂WO₇基体材料（JCPDS编号97–024-7840）的晶体结构。衍射数据分析表明，稀土离子Er³⁺的掺杂并未对基体材料的晶体结构造成显著影响，证实Er³⁺已成功掺入BaLa₂WO₇晶格中，且未破坏其原有结构。

结论

总结来说，本研究合成了一系列BaLa₂WO₇:Er³⁺荧光材料。XRD物相分析表明，合成的荧光材料呈现纯相。这些材料在379纳米和980纳米泵浦激光的激发下均表现出强烈的绿色发光，且在379纳米紫外光激发下，最佳掺杂浓度为3%。BLWO:x%Er³⁺的发光机制被确定为偶极-偶极相互作用。

CRediT作者贡献声明

陈伟海：撰写——原始草案。崔瑞瑞：资源获取、资金申请。彭星阳：方法论研究、实验实施。齐崇辉：实验实施。田长江：资源获取、资金申请。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52262020和52403403）和贵州省基础研究计划（自然科学）（项目编号：Qian ke he ji chu – ZK [2024] YiBan 095）的支持。