【儀表網 研發快訊】光學溫度傳感通過監測光致發光強度或熒光壽命等光學參數的相關變化進行溫度探測。然而，基于發光強度的溫度探針容易受到各種因素的影響，如光源、樣品濃度、光漂白、散射和不同波長的吸收差異等。熒光壽命測溫由于不受上述因素的影響，可以很好地規避傳統基于熒光強度測溫的局限性。由于有機分子有利于誘導晶體結構趨向于“軟晶格”，有機-無機雜化金屬鹵化物憑借其優異的發光性能成為新型的熒光壽命溫度傳感探針。盡管如此，金屬鹵化物較差的穩定性尤其是水穩定性極大地限制了其應用場景。
近日，中國科學院福建物質結構研究所和閩都創新實驗室的陳學元團隊涂大濤研究員等通過在有機-無機雜化金屬鹵化物中引入疏水有機分子三苯基膦(TPP)，設計并合成新型Cu(I)基雜化金屬鹵化物TPP3Cu2Br2，開發了一種水穩定性優異的熒光壽命溫度探針，實現了基于熒光壽命變化的高靈敏溫度探測。
團隊以疏水有機分子三苯基膦(TPP)為A位組分，設計合成了新型有機無機雜化Cu(I) 基金屬鹵化物TPP3Cu2Br2。在紫外光激發下，材料呈現綠色發光，量子產率達41.5%。TPP3Cu2Br2的結構會隨著溫度上升而發生劇烈熱膨脹，由此引入更多的缺陷促使材料的發光快速猝滅。隨著溫度從280 K升到380 K，發光強度猝滅至初始值的10.8%，而熒光壽命則縮短至初始值的1.9%。由此計算出的熒光壽命溫度傳感的最大相對靈敏度高達12.8% K-1，為目前非摻雜金屬鹵化物的最高值。此外，通過循環測試也驗證了其作為溫度探針長期使用的良好穩定性(圖1)。
圖1 (a) TPP3Cu2Br2隨溫度變化的XRD圖；(b-d) TPP3Cu2Br2的溫度依賴光學性能變化；(e-f) TPP3Cu2Br2的溫度傳感靈敏度和循環穩定性。
進一步地，研究團隊發現TPP3Cu2Br2表現出優異的水穩定性。在水中浸泡15天后，樣品發光仍保持初始值的97.3%。通過理論計算分析，相比于全無機金屬鹵化物Cs3Cu2Br5，TPP3Cu2Br2展現出更大的接觸角和更小的結合能，證實其優異的水穩定性源于TPP 有機基團的保護作用(圖2)。
圖2 (a-d) TPP3Cu2Br2在水中的穩定性；(e-f) Cs3Cu2Br5和TPP3Cu2Br2的接觸角測試與結合能計算。
此外，研究團隊還驗證了熒光壽命溫度傳感的精度優勢。在不同深度的水環境中，基于TPP3Cu2Br2發光強度的測溫誤差隨水深增加急劇增大，在水深10 mm時誤差超過30?C；而TPP3Cu2Br2熒光壽命傳感始終保持約1?C的較小測量誤差，展現其在水環境中優異的測溫準確性(圖3)。
圖3 (a)不同深度水環境中的溫度傳感示意圖；(b-c) TPP3Cu2Br2在不同深度水環境中熒光壽命和熒光強度變化；(d-e)基于熒光壽命和熒光強度的溫度傳感誤差值。
該工作通過在有機-無機雜化金屬鹵化物體系中引入疏水性三苯基膦(TPP)配體，成功構筑了兼具水環境穩定性和溫度響應靈敏性的金屬鹵化物TPP3Cu2Br2，這一研究結果不僅為水下微區溫度場的實時監測與空間分布解析提供了新思路，也為發展面向智能傳感應用的高穩定性金屬鹵化物材料開辟了新路徑。
相關研究成果以“Luminescence Lifetime Thermometers Based on Hybrid Cuprous Halides with Exceptional Water Resistance and Giant Thermal Expansion”為題2025年6月24日發表在光學旗艦期刊《光：科學與應用》(Light Sci. Appl.2025,14,224)。論文的第一作者是中國科學院福建物質結構研究所/上海科技大學聯培博士研究生李忱亮，中國科學院福建物質結構研究所陳學元研究員、涂大濤研究員和福建師范大學汪路平副教授為本文的共同通訊作者。
此前，陳學元團隊在金屬鹵化物鈣鈦礦材料的光學性能設計方面取得了系列重要進展。例如，開發了具有藍光/近紅外雙波段自限激子發射的Cs2NaScCl6稀土基雙鈣鈦礦材料(ACS Energy Lett.2025,10,2150-2159)，通過Na/Ag合金化策略對Cs2AgBiCl6:Yb/Er雙鈣鈦礦材料進行局域結構調控，實現了稀土離子近紅外高效發光(Angew. Chem. Int. Ed.2022,61,e202205276)；利用Cs2NaInCl6:Yb/Er雙鈣鈦礦的Cl-Yb電荷轉移躍遷敏化增強了Yb3+/Er3+的近紅外光發光(Adv. Sci.2022,9,2203735)。
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