深圳科技大學(xué)集成電路與光電芯片學(xué)院寧存政教授團隊和清華大學(xué)電子工程系開發(fā)了一種可以按照不同測溫需求，對目標(biāo)測溫參數(shù)進行自優(yōu)化的單根合金鉺納米線溫度傳感器，實現(xiàn)了4K到500K的寬溫區(qū)測量。

溫度測量，對于前沿科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)，以及個人和家庭生活等許多方面都起著極為重要的作用，但傳統(tǒng)的測溫技術(shù)如水銀溫度計，熱電阻技術(shù)，紅外探測等由于要求接觸式使用，并且受限于測溫精度和靈敏度及測溫范圍等，無法滿足許多場合的需要。近年來，基于鑭系稀土元素的熒光溫度測量技術(shù)成為一個越來越重要的溫度測量手段。這種遠(yuǎn)程的光學(xué)溫度測量技術(shù)已經(jīng)在諸如細(xì)胞科學(xué)、活體生物學(xué)、集成光電子科學(xué)等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生了舉足輕重的影響。

此次實驗所用的發(fā)光材料系一種獨特的稀土硅酸鹽合金納米線，寧存政團隊在10多年前發(fā)現(xiàn)了這種高質(zhì)量的單晶合金材料，此后對其進行了多方面的系統(tǒng)研究。本次研究通過對生長工藝的不斷優(yōu)化，得到了接近完美的單晶納米線，其極強的發(fā)光使得單根納米線足以作為測溫的熒光物質(zhì)，同時高質(zhì)量的材料發(fā)出的譜線極窄，可以對極低的溫度和很小的溫度變化進行測量。通過采集一幀光譜，可以構(gòu)建很多個溫度響應(yīng)函數(shù)，并通過計算機程序?qū)崿F(xiàn)針對不同測溫目標(biāo)的自優(yōu)化溫度響應(yīng)函數(shù)選擇。這是首次將測溫函數(shù)的自優(yōu)化選擇和熒光測溫結(jié)合，保證了大溫度范圍的最優(yōu)溫度測量。

除了靈敏，利用這種鉺合金納米材料的另一個優(yōu)勢，是波長在1530納米附近的光譜窗口對應(yīng)于光通信的C波段以及損耗極低的生物近紅外光學(xué)窗口，對生物體的穿透深度較可見光大很多，因此該溫度測量技術(shù)之后可能會在這兩個領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。單根納米線和普通水銀溫度計相比，尺寸小4個數(shù)量級。與目前絕大多數(shù)熒光溫度傳感器相比，單根納米線具有更好的操控性，而用單根納米線做生物細(xì)胞內(nèi)窺測量的技術(shù)已經(jīng)被其他研究組所驗證，因此該溫度測量技術(shù)有可能在單細(xì)胞溫度學(xué)研究中產(chǎn)生重要作用。

該項研究成果以“Self-optimized single-nanowire photoluminescence thermometry”為題發(fā)表在Light: Science & Applications。文章第一作者梁璋為深圳技術(shù)大學(xué)副研究員，其他作者包括清華大學(xué)博士生吳金華、工程師崔瑛和副研究員孫皓。深圳技術(shù)大學(xué)集成電路與光電芯片學(xué)院院長寧存政教授為文章通信作者。