Inorganic MaterialsInorganic MaterialsНеорганические материалы0002-337X3034-5588The Russian Academy of Sciences69225410.7868/S3034558825040111ArticlesСтатьиResearch ArticleОптическая термометрия на основе метода отношения интенсивностей люминесценции ионов Er3+ во фторидных стеклах при прямом возбуждении УФ-светодиодомОптическая термометрия на основе метода отношения интенсивностей люминесценции ионов Er3+ во фторидных стеклах при прямом возбуждении УФ-светодиодомBrekhovskikhM. N.БреховскихМ. Н.mbrekh@igic.ras.ruMoiseevaL. V.МоисееваЛ. В.VaimuginL. A.ВаймугинЛ. А.VinokurovaV. V.ВинокуроваВ. В.KirikovaN. Y.КириковаН. Ю.KondratyukV. A.КондратюкВ. А.MakhovV. N.МаховВ. Н.N.S. Kurnakov Institute of General and Inorganic ChemistryИнститут общей и неорганической химии им. Н. С. КурнаковаA.M. Prokhorov Institute of General PhysicsИнститут общей физики им. А. М. ПрохороваP.N. Lebedev Physical InstituteФизический институт им. П. Н. Лебедева15082025617-8VOL 61, NO7–8 (2025)ТОМ 61, №7-8 (2025)47748707102025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://rjsvd.com/0002-337X/article/view/692254

Высокотемпературным синтезом с использованием XeF2 в качестве фторирующего агента получены фторцирконатные и фторгафнатные стекла, активированные ионами Er3+ (ZBLAN:Er3+ и HBLAN: Er3+). Продемонстрирована возможность использования полученных стекол для оптической термометрии методом “Отношение интенсивностей флуоресценции” (FIR) на переходах 4S3/2 → 4I15/2 (540–560 нм) и 2H11/2 → 4I15/2 (515–535 нм) в ионе Er3+. Показано, что экспериментальные зависимости величины FIR от температуры хорошо моделируются стандартным выражением на основе больцмановского распределения электронов между соседними уровнями, находящимися в тепловом равновесии, в области температур T > 250 K для ZBLAN:Er3+ и T > 225 K для HBLAN:Er3+. Величины чувствительности (S) и относительной чувствительности (Sr) температурных измерений в биологически важном диапазоне (Т ≈ 320 К), полученные для синтезированных фторидных стекол, составили S = 0.0033 К–1, Sr = 1.16% К–1 для ZBLAN:Er3+ и S = 0.0025 К–1, Sr = 1.11% К–1 для HBLAN:Er3+.

Высокотемпературным синтезом с использованием XeF2 в качестве фторирующего агента получены фторцирконатные и фторгафнатные стекла, активированные ионами Er3+ (ZBLAN:Er3+ и HBLAN: Er3+). Продемонстрирована возможность использования полученных стекол для оптической термометрии методом “Отношение интенсивностей флуоресценции” (FIR) на переходах 4S3/2 → 4I15/2 (540–560 нм) и 2H11/2 → 4I15/2 (515–535 нм) в ионе Er3+. Показано, что экспериментальные зависимости величины FIR от температуры хорошо моделируются стандартным выражением на основе больцмановского распределения электронов между соседними уровнями, находящимися в тепловом равновесии, в области температур T > 250 K для ZBLAN:Er3+ и T > 225 K для HBLAN:Er3+. Величины чувствительности (S) и относительной чувствительности (Sr) температурных измерений в биологически важном диапазоне (Т ≈ 320 К), полученные для синтезированных фторидных стекол, составили S = 0.0033 К–1, Sr = 1.16% К–1 для ZBLAN:Er3+ и S = 0.0025 К–1, Sr = 1.11% К–1 для HBLAN:Er3+.

оптическая термометрияфторцирконатные и фторгафнатные стеклалюминесценция Er3+метод FIR (fluorescence intensity ratio)Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственных задач Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова, Института общей физики им. А.М. Прохорова и Физического института им. П.Н. Лебедева.Brites C.D.S., Balabhadra S., Carlos L.D. Lanthanide-Based Thermometers: at the Cutting-Edge of Luminescence Thermometry // Adv. Opt. Mater. 2019. V. 7. P. 1–30. https://doi.org/10.1002/adom.201801239Курпешев О.К. Пороговые тепловые дозы локальной гипертермии при термолучевой терапии опухолей // Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2023. Т. 68. № 1. С. 58–71. https://doi.org/10.33266/1024-6177-2023-68-1-58-71Wade S.A., Collins S.F., Baxter G.W. Fluorescence Intensity Ratio Technique for Optical Fiber Point Temperature Sensing // J. Appl. Phys. 2003. V. 94. P. 4743–4756. https://doi.org/10.1063/1.1606526Suta M., Meijerink A. A Theoretical Framework for Ratiometric Single Ion Luminescent Thermometers–Thermodynamic and Kinetic Guidelines for Optimized Performance // Adv. Theory Simul. 2020. V. 3. P. 1–32. https://doi.org/10.1002/adts.202000176Berthou H., Jörgensen C.K. Optical-Fiber Temperature Sensor Based on Upconversion-Excited Fluorescence // Opt. Lett. 1990. V. 15. P. 1100–1102. https://doi.org/10.1364/OL.15.001100Lavı́n V., Babu P., Jayasankar C.K., Martı́n I.R., Rodrı́guez V.D. On the Local Structure of Ions in Oxyfluoride Glasses. Comparison with Fluoride and Oxide Glasses // J. Chem. Phys. 2001. V. 115. P. 10935–10944. https://doi.org/10.1063/1.1420731Brekhovskikh M.N., Moiseeva L.V., Batygov S. Kh., Zhidkova I.A., Fedorov V.A. Glasses on the Basis of Heavy Metal Fluorides // Inorg. Mater. 2015. V. 51. № 13. P. 1348–1361. https://doi.org/10.1134/S0020168515130026Brekhovskikh M.N., Moiseeva L.V., Batygov S. Kh., Vinokurova V.V., Vaimugin L.A., Kirikova N.Y., Kondratyuk V.A., Makhov V.N. Modified Fluorozirconate Glasses Doped with 4f- and 3d-Cations // Opt. Mater. 2025. V. 158. P. 1–9. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2024.116456Brekhovskikh M.N., Batygov S. Kh., Moiseeva L.V., Demina L.I., Vinokurova V.V., Vaimugin L.A. Influence of Xenon Difluoride on the Optical Properties of Fluorozirconate and Fluorohafnate Glasses // Mendeleev Commun. 2023. V. 33. P. 525–527. https://doi.org/10.1016/j.mencom.2023.06.027Jaba N., Mansour H.B., Kanoun A., Brenier A., Champagnon B. Spectral Broadening and Luminescence Quenching of 1.53 mm Emission in Er3+-Doped Zinc Tellurite Glass // J. Lumin. 2009. V. 129. P. 270–276. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2008.10.006Kesavulu C.R., Kim H.J., Lee S.W., Kaewkhao J., Wantana N., Kothan S., Kaewjaeng S. Influence of Er3+ Ion Concentration on Optical and Photoluminescence Properties of Er3+-Doped Gadolinium-Calcium Silica Borate Gglasses // J. Alloys Compd. 2016. V. 683. P. 590–598. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.04.314Carnall W.T., Goodman G.L., Rajnak K., Rana R.S. A Systematic Analysis of the Spectra of the Lanthanides Doped into Single Crystal LaF3 // J. Chem. Phys. 1989. V. 90. P. 3443–3457. https://doi.org/10.1063/1.455853Пржевуский А.К., Никоноров Н.В. Конденсированные лазерные среды: учебно-методическое пособие. СПб.: Изд-во СПбГУ ИТМО. 2009. 147 с.Dos Santos P.V., De Araujo M.T., Gouveia-Neto A.S., Medeiros N.J.A., Sombra A.S.B. Optical Temperature Sensing Using Upconversion Fluorescence Emission in Er3+/Yb3+ Co-Doped Chalcogenide Glass // Appl. Phys. Lett. 1998. V. 73. P. 578–580. https://doi.org/10.1063/1.121861Xu W., Zhang Z.G., Cao W.W. Excellent Optical Thermometry Based on Short-wavelength Upconversion Emissions in Er3+/Yb3+ Co-doped CaWO4 // Opt. Lett. 2012. V. 37. P. 4865–4867. https://doi.org/10.1364/OL.37.004865Zhou S., Deng K., Wei X., Jiang G., Duan C., Chen Y., Yin M. Upconversion Luminescence of NaYF4: Yb3+, Er3+ for Temperature Sensing // Opt. Commun. 2013. V. 291. P. 138–142. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2012.11.005Jiang S., Zeng P., Liao L., Tian S., Guo H., Chen Y., Duan C., Yin M. Optical Thermometry Based on Upconverted Luminescence in Transparent Glass Ceramics Containing NaYF4: Yb3+/Er3+ Nanocrystals // J. Alloys Compd. 2014. V. 617. P. 538–541. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.08.080Xiang G., Xia Q., Liua X., Wang X. Optical Thermometry Based on the Thermally Coupled Energy Levels of Er3+ in Upconversion Materials // Dalton Trans. 2020. V. 49. P. 17115–17120. https://doi.org/10.1039/d0dt03100cĆirić A., Gavrilović T., Dramićanin M.D. Luminescence Intensity Ratio Thermometry with Er3+: Performance Overview // Crystals. 2021. V. 11. № 2. P. 1–19. https://doi.org/10.3390/cryst11020189Липина O.А., Сурат Л.Л., Меленцова А.А., Бакланова Я.В., Чуфаров А.Ю., Тютюнник А.П., Зубков В.Г. BaYb2–xErxGe3O10 и BaY2–10yYb9yEryGe3O10: люминесцентные свойства, перспективы использования для бесконтактного определения температуры // ФТТ. 2021. T. 63. № 7. C. 944–949. https://doi.org/10.21883/FTT.2021.07.51046.050Липина О.А., Спиридонова Т.С., Бакланова Я.В., Хайкина Е.Г. Na5Rb7Sc2(WO4)9: Yb3+, Er3+: люминесцентные свойства и перспективы использования для бесконтактной термометрии // Журн. неорган. химии. 2023. Т. 68. № 5. C. 603–612. https://doi.org/10.31857/S0044457X22601973Xie J., Cao Q., Su T., Zhong Y., Wang W., Pan Y., Wei X., Li Y. Optical Thermometry Based on Up-Conversion Luminescence of Self-Crystallized Glass-Ceramics Containing GdOF: Yb3+, Er3+ Nanocrystals // Appl. Phys. A. 2024. V. 130. P. 1–9. https://doi.org/10.1007/s00339-024-08128-9