热响应智能材料实现温度不均匀性的简单可视化

江南大学化学与材料工程学院林恒伟教授光功能材料研究团队克服了传统评估热场不均匀的技术的缺点，通过开发热致变色智能材料SrGa_12-xAl_xO₁₉：Dy³⁺来将温度分布可视化。通过两种不同的热致变色模式（稳态温度依赖性发光和热激励发光），实现了不可见热分布的简单高效可视化。

关键词：热激励发光，发光变色，温度依赖发光

目前，热响应材料对各种热场的响应性仍然局限于单波长光发射的单色可视化。这源于对材料内部光物理过程的了解不足，以及发光中心在各种环境温度下较稳定的光学性能。评估热场不均匀性的传统技术可能非常耗时，需要专门的设备，并且由于背景信号的干扰而导致不准确，尤其是在高温背景下。为此，开发了母体（SrGa_12-xAl_xO₁₉）和Dy³⁺掺杂下的智能材料，可以在热刺激实现丰富的颜色变化（从黄色、绿色到红色），并且具有温度依赖变色光致发光和热激励变色发光两种模式。我们建议这种热响应智能材料可用于在工业及其他领域实现不可见热分布的高效和简单的可视化。

通过合理的原子替换合金化的策略实现了Dy³⁺掺杂下晶格结构的微调控，不同合金化程度的材料具有不同的温度响应。在文中图3可以明显观察到材料在不同温度下具有不同的光致发光颜色，而通过调节Al原子组份可以对不同颜色的温域进行调控。除此之外，该系列材料还可以在254 nm预激发下进行储能，并在后续热激励下实现发光，与光致发光类似，热激励发光同样会有颜色变化，原文图4较为明显得展示了这一特性。这些现象可以通过能带理论进行解释：材料中有母体和Dy³⁺两个发光中心以及可以存储并释放能量的陷阱，在不同刺激下可以影响陷阱与发光中心间的能量传递，造成宏观下的颜色变化。

针对这一特性，将材料铺覆在待测物体表面可以通过发光颜色简单快捷的判断出物体的温度分布。如原文图5所示，将该材料的测温方式与测温枪测温进行对比，温度分布相近，温域也可近似判断。单在高温背景下，测温枪会受到背景辐射干扰产生温度误判，而本文报道的材料可完美避免该问题。

综上所述，报道了一种通过热致变色智能材料SrGa_12-xAl_xO₁₉:Dy³⁺可视化温度不均匀性的新方法。结果表明，在特定的热刺激下，主体（SrGa_12-xAl_xO₁₉）和掺杂剂（Dy³⁺）发射具有优异的光学集成性，从而产生了宽范围的发射颜色（从黄色、绿色到红色）和惊人的热激励变色发光特性。丰富的响应发射颜色、变色发光特性、宽的响应温度范围和良好的存储容量使其优于传统的热成像技术。最后，这种热响应智能材料被证明可以实现电路元件温度不均匀性的清晰可视化。这项工作为不同温度下不同光发射的光物理过程提供了新的理解，我们的方法使我们能够高效、简单地可视化工业及其他领域的不可见热分布。该项工作发表在Materials Horizons上，江南大学研究生王潘琴为第一作者，研究生王腾跃，吕绍星为重要贡献者，比利时根特大学Dirk Poelman教授提供了专业的指导和支持。

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh01198d