近日，太原理工大学物理与光电工程学院李国辉教授团队在《发光学报》上发表了题为《基于钙钛矿纳米片激光器的高灵敏度亚微米级温度传感器》的研究论文。该研究运用原子级平滑的高品质因子三角形钙钛矿纳米片进行亚微米级温度传感。该传感器中的光学模式被约束在厚度仅为85 nm、边长大约36 µm的钙钛矿纳米片内。同时这种温度传感器也表现出优异的性能，其灵敏度高达190 pm/℃。该研究工作在回音壁模式（WGM）条形码技术、超导体监测、生物物理传感器等多种测温应用场景中具有广阔的应用潜力。
温度作为一项基本的物理参数，在物理、化学及生物等学科领域中发挥着至关重要的作用。然而，传统的温度传感器在检测小尺寸的温度波动，特别是亚微米级尺度上的温度变化时，存在困难。光学微型谐振腔被认为是解决这一难题的有效途径之一。基于微球、微泡或微瓶等微结构制成的主动式WGM微腔温度传感器，由于其尺寸通常在微米级别，难以精准测量亚微米尺度的温度波动。此外，用于生物监测的主动式WGM谐振器可能会在监测过程中损害样本。因此，研发一款具备亚微米尺度测量能力、低阈值以及高灵敏度的主动式温度传感器显得尤为重要。本项工作利用金属卤化物钙钛矿纳米结构，成功开发出了高灵敏度亚微米级温度传感器，为基于CH3NH3PbI3纳米片和其他金属卤化物材料开发高性能温度传感器奠定了基础。
图1：基于纳米片激光器的温度传感器实验装置示意图
金属卤化物钙钛矿作为一种新型半导体材料，在多个光电子应用领域展现出巨大的应用前景。为了使高灵敏度温度传感器在微米与纳米级别的样品环境中应用，本工作采用两步气相沉积法在云母基底上生长出钙钛矿三角形纳米片。首先，通过气相沉积法在超平滑云母基底上形成原子级平滑的等边三角形PbI2纳米片模板，然后将模板转化为原子级平滑的CH3NH3PbI3纳米片。在不同温度下的发射光谱由自行搭建的显微荧光测量系统完成。单个纳米片由飞秒激光(波长343 nm，脉冲宽度约290 fs)激发，该光束经透镜(焦距f=20 cm)聚焦后束径减小至57 μm。通过高分辨率三维微位移台精确控制纳米片的位置。纳米片的荧光或激光发射光被显微物镜收集并通过分束器分为两束。一束进入光谱仪(波长分辨率为约0.07 nm)，另一束则传送到sCMOS相机。在云母基外加置一套温控设备，以便精确(温度分辨率为0.1℃)调控温度。
此外，所制得的CH3NH3PbI3纳米片尺寸为边长36 μm、厚度85 nm。该纳米片激光器展现出出色的性能，品质因数（Q因子）高达约2610，且激光激发阈值仅为19.8 µJ cm−2，相比之前的研究结果降低了数十倍。
图2：钙钛矿纳米片的图像及发射光谱
基于此纳米片激光器，我们构建了一个灵敏度高达190 pm/°C的温度传感器。在连续工作超过150秒期间，激光线的中心波长始终保持稳定，显示了良好的稳定性，从而确保了温度传感器的稳健性。在对纳米片从21℃升温至26℃进行测量的过程中，当温度重新恢复至初始值时，激光中心波长可以恢复正常。这款集高灵敏度、低阈值、简易制备工艺及超微小尺寸于一体的纳米激光温度传感器，在WGM条形码技术、超导体监测、生物物理传感器等多种测温应用场景中具有广阔的应用潜力。
图3：(a) CH3NH3PbI3钙钛矿纳米片的激光光谱随温度(21至25 °C)的变化。(b)激光峰值随温度线性变化。波长与温度呈线性关系（~190 pm/°C）。(c)在不同间隔下收集的NPL激光光谱。(d)在20.2 μJ cm−2下150秒内的光谱偏移。
在本研究中，我们展示了以三角形钙钛矿纳米片激光器为关键技术核心的亚微米级的主动的WGM温度传感装置。得益于其低的激光阈值（19.8 μJ cm-2）、卓越的品质因数（2610）、高稳定性、良好的可逆性以及激光峰值位置与温度之间的线性关系，所开发的温度传感器表现出较高的温度灵敏度（190 pm/℃）和温度分辨率（约0.37℃）。这款亚微米尺度的温度传感器适合集成到柔性光热设备和化学分析仪中，实现高精度的温度传感。
结合传感器的高性能表现、提出的简单自由空间光学测量方案以及纳米片的低成本和易于制造的特性，这项工作为基于CH3NH3PbI3纳米片和其他金属卤化物材料开发高性能温度传感器奠定了基础。
文章信息
赵若凡,陶健勋,郤育莺,陈江照,冀婷,王文艳,温荣,崔艳霞,陈俊生*,李国辉*，基于钙钛矿纳米片激光器的高灵敏度亚微米级温度传感器[J].发光学报, 2024, 45(09):1511-11520. DOI：10.37188/CJL.20240133
https://cjl.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/CJL.20240133/
作者简介
赵若凡，硕士研究生，2021年于长治学院获得学士学位，主要从事微纳光电子器件方面的研究。
李国辉，博士，教授，硕士生导师，2011年于华东师范大学获得博士学位，主要从事包括钙钛矿激光器、表面等离激元纳米器件、有机及钙钛矿光电探测器等的研究。
陈俊生，博士，助理教授，就职于丹麦哥本哈根大学，化学系。主要从事分子自组装纳米颗粒研发用于生物成像，发光材料激发态动力学研究。
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