Ученые создали бесконтактные нанотермометры с исключительной чувствительностью

Микрофотография наночастиц Gd2O3, активированных ионами тербия и европия, и их спектры люминесценции при различных температурах. Источник: Илья Колесников.

Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ) и опубликованного на страницах Journal of Alloys and Compounds, будут полезны для контроля температуры устройств, функционирующих в экстремальных условиях.

В самых разнообразных отраслях производства — от металлургии и химической промышленности до медицины и молекулярной биологии — температура выступает одним из наиболее важных параметров, который влияет на свойства материалов и протекание многих процессов. Наиболее часто для точного измерения температуры используют контактные термометры, которые необходимо непосредственно подносить к анализируемой поверхности или опускать в интересующую среду. Например, к устройствам такого типа относятся ртутные термометры, которыми измеряют температуру человеческого тела.

Не всегда контактные термометры применимы: они не могут использоваться для микро- и нанообъектов, а также не работают в условиях высокого давления или агрессивной окружающей среды. Поэтому ученые разработали альтернативу традиционным датчикам — бесконтактные оптические термометры. Такие устройства состоят из материалов, способных светиться при поглощении излучения с определенными длинами волн. Принцип их работы заключается в том, что спектр люминесценции меняется даже при незначительном нагревании и охлаждении, благодаря чему температуру можно довольно точно измерить.

Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого разработали люминесцентные термометры на основе оксидных наночастиц, активированных редкоземельными ионами тербия и европия. Первый из них испускает ярко-зеленое излучение, а второй — красное. Кроме того, ионы тербия способны передавать энергию ионам европия, увеличивая интенсивность их люминесценции. Это свойство позволило ученым использовать такую пару для люминесцентной термометрии, поскольку интенсивность люминесценции ионов тербия (зеленое свечение) и европия (красное свечение) изменяется даже при небольшом изменении температуры.

Синтез люминесцентных частиц проводился с помощью разновидности золь-гель метода, разработанной членами научного коллектива проекта. Размер полученных частиц составил менее ста нанометров, что позволяет проводить определение температуры с субмикронным пространственным разрешением. Исследователи измерили спектры люминесценции полученных наночастиц, а затем изучили, как они изменяются при повышении и понижении температуры. Оказалось, что интенсивность люминесценции ионов тербия при нагревании уменьшается из-за усиления процесса передачи энергии ионам европия и температурного тушения. Интенсивность люминесценции ионов европия при увеличении температуры изменялась немонотонно: она возрастала при температурах ниже 370°С, а затем снижалась. Такое поведение связано с одновременным влиянием двух разнонаправленных факторов: переноса энергии с ионов тербия и температурного тушения.

Поскольку каждый из активных центров продемонстрировал собственную динамику изменения люминесценции, ученые математически описали ее зависимость от температуры для ионов тербия и европия и тем самым сделали возможным бесконтактно оценивать температуру в диапазоне от -150 до 200°С с точностью до десятых долей градуса.

«Синтезированные нами нанотермометры можно использовать в широком диапазоне температур, что существенно расширяет область их применения. При этом их тепловая чувствительность при температуре более 150^оС 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 руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Илья Колесников, кандидат физико-математических наук, специалист ресурсного центра «Оптические и лазерные методы исследования вещества» СПбГУ.