深圳科技大學集成電路與光電芯片學院寧存政教授團隊和清華大學電子工程系開發(fā)了一種可以按照不同測溫需求，對目標測溫參數(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)的測溫技術如水銀溫度計，熱電阻技術，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成為一個越來越重要的溫度測量手段。這種遠程的光學溫度測量技術已經(jīng)在諸如細胞科學、活體生物學、集成光電子科學等諸多領域產(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，同時高質量的材料發(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，可以構建很多個溫度響應函數(shù)，并通過計算機程序實現(xiàn)針對不同測溫目標的自優(yōu)化溫度響應函數(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于光通信的C波段以及損耗極低的生物近紅外光學窗口，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之后可能會在這兩個領域產(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胞內(nèi)窺測量的技術已經(jīng)被其他研究組所驗證，因此該溫度測量技術有可能在單細胞溫度學研究中產(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大學副研究員，其他作者包括清華大學博士生吳金華、工程師崔瑛和副研究員孫皓。深圳技術大學集成電路與光電芯片學院院長寧存政教授為文章通信作者。