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使用鈣鈦礦狀鹵化錫發(fā)光進(jìn)行新型熱成像測(cè)溫

遠(yuǎn)程熱成像或熱成像技術(shù)適用于從醫(yī)學(xué)和國(guó)防到生物學(xué)研究或技術(shù)故障診斷的眾多應(yīng)用。在所有這些應(yīng)用中,遠(yuǎn)程熱檢測(cè)分為兩大類:紅外(IR)或可見(jiàn)光。隨著MEMS技術(shù)(微機(jī)電系統(tǒng))的發(fā)展,價(jià)格較便宜的輻射熱探測(cè)器已經(jīng)進(jìn)入消費(fèi)電子市場(chǎng),并且能夠以高速和高分辨率記錄熱圖像。但是,基于紅外輻射強(qiáng)度的測(cè)量,其熱成像性能固有地受到觀察對(duì)象的透明度和發(fā)射率的限制。更重要的是,也受到材料和介質(zhì)(窗口,涂層,基質(zhì),溶劑等)的限制。作為主要后果之一,紅外熱像儀想要輕松地與傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡或其他封閉的光學(xué)系統(tǒng)(如低溫恒溫器或微流控單元)結(jié)合使用較為困難。

可見(jiàn)光和紅外熱像儀比較

圖為可見(jiàn)光和紅外熱像儀比較

 

不受外殼或紅外吸收介質(zhì)影響的遠(yuǎn)程熱成像的另一種方法是使用對(duì)溫度敏感的發(fā)光體(即熒光體或磷光體),并在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)沉積光致發(fā)光(PL)。為了探測(cè)物體的溫度,通過(guò)紫外線或可見(jiàn)(UV-vis)脈沖源(例如,激光或發(fā)光二極管,LED)激發(fā)發(fā)光體,然后通過(guò)時(shí)間分辨來(lái)分析與溫度相關(guān)的PL壽命衰減探測(cè)器。

這種PL壽命方法具有幾個(gè)好處:可以將激發(fā)功率以及相應(yīng)的PL強(qiáng)度調(diào)整到適合探測(cè)器動(dòng)態(tài)范圍的值。此外,使用紫外線可見(jiàn)光而不是中長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外輻射可以使該方法與生物學(xué)研究和材料研究中使用的常規(guī)光譜學(xué)和顯微鏡技術(shù)直接集成。此外,可見(jiàn)光(400–700 nm)可獲得更高的空間分辨率,潛在地將遠(yuǎn)程熱成像的用途擴(kuò)展到細(xì)胞內(nèi)和體外研究。

為了促進(jìn)遠(yuǎn)程熱成像技術(shù)的發(fā)展和廣泛使用,需要更廣泛的發(fā)光,熱敏和溫度范圍可調(diào)材料組合。這些發(fā)射器必須表現(xiàn)出完全可復(fù)制的輻射壽命與溫度的關(guān)系,并表現(xiàn)出對(duì)激發(fā)光強(qiáng)度的不變行為。研究者提出(1)一類低維鹵化錫發(fā)光體,由于其強(qiáng)烈依賴溫度,特定化合物的PL壽命而非常適合遠(yuǎn)程熱成像;(2)測(cè)溫精度低至0.013°C;(3)一種采用飛行時(shí)間(ToF)相機(jī)的熱成像方法,可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的高分辨率快速熱成像。

由封裝的Cs4SnBr6粉末組成的樣品的熱成像圖像(1)

圖為由封裝的Cs4SnBr6粉末組成的樣品的熱像圖

 

研究者發(fā)現(xiàn)低維鹵化錫在可調(diào)節(jié)的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出極高的熱敏性。特別是,這種發(fā)射的特征是單指數(shù)衰減,PL壽命對(duì)溫度(高達(dá)20 ns°C-1)的依賴性很大。將這些功能應(yīng)用于寬溫度范圍(-100至110°C)內(nèi)的高精度測(cè)溫,并通過(guò)將這些低維鹵化錫發(fā)光體與ToF-FLI結(jié)合,展示了一種遠(yuǎn)程光學(xué)熱成像方法,成功實(shí)現(xiàn)了低成本,精確和高速的PL熱成像。

 

參考資料:

Sergii Yakunin?, Bogdan M. Benin?, Yevhen Shynkarenko, et al. High-resolution remote thermometry and thermography using luminescent low-dimensional tin-halide perovskites. Nature Materials. 18:846-852, 2019.