利用 Er³+/Yb³+ 共掺 Y₂O₃ 纳米粒子中 Stark 子能级的玻尔兹曼低温测温
化学物理
2026-01-21 v1
摘要
开发可靠的低温luminescent纳米计温器对于推进量子技术、超导体系统及其他需要精确高空间分辨率温度监测的领域至关重要。锦镶掺杂系统在此类目的广泛使用，通常在使用基于能级的转换时在室温或更高温度下表现最佳。本文利用 Er³+离子在 Y₂O₃ 宿主矩阵中显著的晶场环境，实现了基于 Er³+/Yb³+ 共掺钇氧化物（Y₂O₃）纳米粒子的光计温器，有效工作温度范围为 25 K 至 175 K。这是通过对 Er³+离子的发光光谱中分离清晰的 Stark 能级实现的。我们应用发光强度比（LIR）方法针对 Er³+离子 ^4S_{3/2} 能级中两个 Stark 成分的跃迁，实现了在 100 K 时热灵敏度最高可达 1.25 % K^{-1}，温度分辨率可达 0.2 K。我们的结果进一步实验性地确认了最近发表的理论预测，即在使用单个 Stark 跃迁来评估 LIR 时，计温性能并不直接取决于涉及的电子能级之间的平均（质心）差异。该提出的程序给出的能隙校准与样本光谱学中非重叠线的能隙校准相匹配。这些见解为基于稀土掺杂材料设计高性能低温计温器提供了坚实的基础。
引用
@article{arxiv.2508.07320,
title = {Boltzmann Thermometry at Cryogenic Temperatures Exploiting Stark Sublevels in Er$^{3+}$/Yb$^{3+}$-Codoped Yttrium Oxide Nanoparticles},
author = {Thomas Possmayer and Allison R. Pessoa and Jefferson A. O. Galindo and Luiz F. dos Santos and Rogéria R. Gonçalves and Anderson M. Amaral and Leonardo de S. Menezes},
journal= {arXiv preprint arXiv:2508.07320},
year = {2026}
}