Termometry luminescencyjne są stosowane m.in. do badań rozkładu temperatury w komórkach in vitro, monitorowania zmian nowotworowych czy też zjawisk termicznych w układach mikroprzepływowych i mikroelektronicznych. Mogą być obiektami w skali makro, ale także przyjmować formę mikro- lub nanocząstek, jak również cienkich warstw.

Jak wyjaśnia dr inż. Maciej Chrunik z Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT, temperatura silnie wpływa na właściwości optyczne wybranych zaawansowanych materiałów funkcjonalnych. Na tym zjawisku opiera się termometria luminescencyjna. Nowe materiały zbadali: Joanna Stefańska oraz dr hab. Łukasz Marciniak z Oddziału Spektroskopii Optycznej w Instytucie Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN we Wrocławiu.

OPTYKA SPOSOBEM NA ODCZYT TEMPERATURY

Do odczytu temperatury można wykorzystywać zmiany optycznych parametrów temperaturowo zależnych, takich jak np. bezwzględna intensywność luminescencji, jej charakterystyka barwno-spektralna lub skrócenie czasu zaniku emitowanego sygnału.

W publikacji zamieszczonej w „The Journal of Physical Chemistry C” naukowcy zaprezentowali bardzo dokładny sposób odczytu temperatury, który umożliwia kalibrację pomiaru. Metoda polega na analizie stosunku intensywności dwóch sygnałów optycznych, dla których każda odpowiedź luminoforu inaczej zależy od temperatury.

W opisanej metodzie materiał luminoforu pobudzany był przez dwie fale świetlne o różnych, ustalonych długościach. Fizycy zmierzyli intensywność selektywnego pasma emisyjnego dla każdej z dwóch fal.

Zmodyfikowany strukturalnie materiał, pobudzany do odświecania przy użyciu wiązki o jednej długości fali, powinien wykazywać wzrost intensywności emisji w funkcji temperatury. Z kolei przy zmianie długości fali wzbudzającej lasera na drugą – intensywność emisji materiału powinna spadać. Stosunek dwóch zmierzonych intensywności stanowi parametr, który jest charakterystyczny dla danej temperatury, a co za tym idzie – może posłużyć do jej odczytu.

„ZIELONE ŚWIATŁO” DLA NOWEJ METODY

Naukowcy badali luminofor KGd(WO4)2 (KGW) domieszkowany różnymi koncentracjami jonów terbu (Tb3+). Jony te silnie emitują charakterystyczne zielone światło. Jednak gdy pobudzane są pojedynczą wiązką, zazwyczaj z zakresu bliskiego ultrafioletu, intensywność emisji czasowo zanika.

Termometr optyczny można ulepszyć modyfikując krystaliczną strukturę luminoforu, aby: wpłynąć na zwiększanie wygaszania w podejściu klasycznym, lub – alternatywnie – poprawić wzmocnienie emisji.

Autorzy pracy zdecydowali się jednak na wybór pierwszej z metod i w tym celu wykorzystali materiał, w którym grupa wolframianowa (WO4) zdolna jest przejmować część energii od wzbudzonych jonów terbu i spowodować, że świecą one mniej intensywnie. Ten proces jest tym silniejszy, im wyższa jest temperatura, a zatem przyczynia się to do polepszenia właściwości termometrycznych badanego materiału.

Syntezy materiału termoluminescencyjnego dokonano w Zakładzie Fizyki i Technologii Kryształów WAT.

PAP – Nauka w Polsce, Karolina Duszczyk

kol/ agt/