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(tuán)隊(duì)和清華大學(xué)電子工程系開發(fā)了一種可以按照不同測(cè)溫需求，對(duì)目標(biāo)測(cè)溫參數(shù)進(jìn)行自優(yōu)化的單根合金鉺納米線溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)了4K到500K的寬溫區(qū)測(cè)量。

溫度測(cè)量，對(duì)于前沿科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)，以及個(gè)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(cè)溫技術(shù)如水銀溫度計(jì)，熱電阻技術(shù)，紅外探測(cè)等由于要求接觸式使用，并且受限于測(cè)溫精度和靈敏度及測(cè)溫范圍等，無(wú)法滿足許多場(chǎng)合的需要。近年來(lái)，基于鑭系稀土元素的熒光溫度測(cè)量技術(shù)成為一個(gè)越來(lái)越重要的溫度測(cè)量手段。這種遠(yuǎn)程的光學(xué)溫度測(cè)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(shí)驗(yàn)所用的發(fā)光材料系一種獨(dú)特的稀土硅酸鹽合金納米線，寧存政團(tuán)隊(duì)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(duì)其進(jìn)行了多方面的系統(tǒng)研究。本次研究通過(guò)對(duì)生長(zhǎng)工藝的不斷優(yōu)化，得到了接近完美的單晶納米線，其極強(qiáng)的發(fā)光使得單根納米線足以作為測(cè)溫的熒光物質(zhì)，同時(shí)高質(zhì)量的材料發(fā)出的譜線極窄，可以對(duì)極低的溫度和很小的溫度變化進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)采集一幀光譜，可以構(gòu)建很多個(gè)溫度響應(yīng)函數(shù)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)針對(duì)不同測(cè)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(cè)溫函數(shù)的自優(yōu)化選擇和熒光測(cè)溫結(jié)合，保證了大溫度范圍的最優(yōu)溫度測(cè)量。

除了靈敏，利用這種鉺合金納米材料的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)，是波長(zhǎng)在1530納米附近的光譜窗口對(duì)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(duì)生物體的穿透深度較可見光大很多，因此該溫度測(cè)量技術(shù)之后可能會(huì)在這兩個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。單根納米線和普通水銀溫度計(jì)相比，尺寸小4個(gè)數(shù)量級(jí)。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(cè)量的技術(shù)已經(jīng)被其他研究組所驗(yàn)證，因此該溫度測(cè)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(xiàng)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(zhǎng)寧存政教授為文章通信作者。