Разработка нового поколения бесконтактных ратиометрических нанотермометров на основе оксидных люминесцентных частиц, активированных ионами редкоземельных металлов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-79-10018

НазваниеРазработка нового поколения бесконтактных ратиометрических нанотермометров на основе оксидных люминесцентных частиц, активированных ионами редкоземельных металлов

Руководитель Колесников Илья Евгеньевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург

Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-206 - Нано- и мембранные технологии

Ключевые слова наносенсоры, оптическая термометрия, люминесценция, редкоземельные ионы, оксиды металлов, тепловая чувствительность, температурное разрешение, температурно-несвязанные уровни

Код ГРНТИ29.31.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Температура является важнейшим параметром, играющим огромную роль в биологических процессах на клеточном уровне, а также влияющим на физические, химические и функциональные свойства большинства наноматериалов. В связи с растущей тенденцией к миниатюризации электронных устройств и к детальному изучению биологических объектов, в которых невозможно контактное измерение температуры с помощью обычного термометра (биологическая клетка, микро- и наноразмерные элементы электрических цепей), актуальной становится разработка бесконтактных температурных сенсоров с субмикронным пространственным разрешением. Наиболее перспективными бесконтактными термометрами являются оптические сенсоры, основанные на температурно-индуцированном изменении люминесцентных свойств. Люминесцентные термометры, позволяющие применить ратиометрический подход к измерению температуры (анализ соотношения интенсивностей полос люминесценции), открывают возможности проведения бесконтактного трехмерного измерения локальной температуры с быстрым считыванием сигнала. Подавляющее большинство известных на данный момент ратиометрических термометров основано на использовании температурно-связанных уровней, которые накладывают фундаментальное ограничение на значение тепловой чувствительности. В рамках данного проекта будут созданы ратиометрические люминесцентные сенсоры нового поколения, использующие температурно-несвязанные уровни для определения температуры, что позволит преодолеть существующее фундаментальное ограничение. В ходе выполнения проекта будут разработаны три подхода к ратиометрическому измерению температуры сенсорами с температурно-несвязанными уровнями за счет использования процессов передачи энергии между различными типами редкоземельных ионов, разных механизмов возбуждения люминесценции редкоземельных ионов и температурного тушения люминесценции центров разной природы. Для реализации предложенных подходов будут созданы три типа ратиометрических нанотермометров: 1) оксидные наночастицы, содержащие два типа ионов редкоземельных металлов; 2) оксидные наночастицы, легированные одним типом ионов редкоземельных металлов, имеющие различные способы возбуждения люминесценции; 3) оксидные наночастицы, легированные одним типом редкоземельных ионов, матрица основы которых обладает собственной люминесценцией. Для всех синтезированных соединений будут проведены комплексные исследования физико-химических (фазовый состав, размер и морфология частиц, фононный спектр) и функциональных (люминесценция, термометрия) свойств. Люминесцентные свойства будут измерены в широком температурном диапазоне (примерно 77–800 K), включающем низкотемпературный, биологический и технологический интервалы, для создания температурных калибровок и расчета термометрических характеристик, включая тепловую чувствительность и разрешение. Будет изучено влияние концентрации легирующих ионов, среднего размера области когерентного рассеяния, а также процесса переноса энергии на люминесцентные свойства и термометрические характеристики синтезированных образцов. В ходе проекта с помощью разработанных нанотермометров будет определена температура микроэлектронных компонентов на печатной плате и объектов в биологической среде. Конечным результатом проекта станет сравнительный анализ и определение наиболее перспективного подхода к созданию ратиометрических тепловых сенсоров, основанных на соотношении интенсивностей люминесценции с температурно-несвязанных уровней.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Колесников И.Е., Афанасьева Е.В., Курочкин М.А., Колесников Е.Ю., Лахдеранта Э. Mixed-valent MgAl2O4:Eu2+/Eu3+ phosphor for ratiometric optical thermometry Physica B: Condensed Matter, Том 624 Номер статьи 413456 (год публикации - 2022)
10.1016/j.physb.2021.413456

2. Медведев В.А., Мамонова Д.В., Маншина А.А., Колесников И.Е. Synthesis of weakly-agglomerated oxide phosphors for non-contact thermometry CONFERENCE ABSTRACTS International Student Conference “Science and Progress”, c.46 (год публикации - 2021)

3. Вайшля Е.И., Афанасьева Е.В., Колесников И.Е. Investigation of Co-Doped LuVO4:Nd3+/Yb3+ Nanoparticles as Luminescent Thermometer CONFERENCE ABSTRACTS International Student Conference “Science and Progress”, с. 82 (год публикации - 2021)

4. Колесников И.Е., Мамонова Д.В., Курочкин М.А., Маншина А.А. CO-DOPED AND MIXED DUAL-CENTER RATIOMETRIC YVO4:Nd3+/Eu3+ NANOTHERMOMETERS Book of abstract of Mendeleev 2021, c. 411 (год публикации - 2021)

5. Колесников И.Е., Мамонова Д.В., Курочкин М.А., Колесников Е.Ю., Ляхдеранта Э., Маншина А.А. YVO4 Nanoparticles Doped with Eu3+ and Nd3+ for Optical Nanothermometry ACS Applied Nano Materials, 4, 12481−12489 (год публикации - 2021)
10.1021/acsanm.1c02992

6. Колесников И.Е., Афанасьева Е.В., Курочкин М.А., Вайшля Е.И., Колесников Е.Ю., Лахдеранта Э. Dual-center co-doped and mixed ratiometric LuVO4:Nd3+/Yb3+ nanothermometers Nanotechnology, 33, 16550 (год публикации - 2022)
10.1088/1361-6528/ac49c3

7. Колесников И.Е., Афанасьева Е.В., Курочкин М.А., Вайшля Е.И., Калиничев А.А., Колесников Е.Ю., Лахдеранта Э. Upconverting NIR-to-NIR LuVO4:Nd3+/Yb3+ Nanophosphors for High- Sensitivity Optical Thermometry ACS Applied Materials & Interfaces, 14, 1757−1764 (год публикации - 2022)
10.1021/acsami.1c20937

8. Колесников И.Е., Мамонова Д.В., Афанасьева Е.В. Люминесцентная термометрия на основе нанокристаллических частиц, легированных редкоземельными ионами ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ Всероссийская конференция с международным участием «VII Российский день редких земель», p 117-118 (год публикации - 2022)

9. Колесников И.Е., Мамонова Д.В., Курочкин М.А., Медведев В.А., Баи Г., Иванова Т.Ю., Борисов Е.В., Колесников Е.Ю. Double-doped YVO4 nanoparticles as optical dual-center ratiometric thermometers Phys. Chem. Chem. Phys., 24, 15349 (год публикации - 2022)
10.1039/d2cp01543a

10. Колесников И.Е., Мамонова Д.В., Курочкин М.А., Медведев В.А., Колесников Е.Ю. Ratiometric dual-center Gd2O3:Tb3+/Eu3+ nanothermometers with enhanced thermometric performances Journal of Alloys and Compounds, 922, 166182 (год публикации - 2022)
10.1016/j.jallcom.2022.166182

11. Колесников И.Е., Мамонова Д.В., Курочкин М.А., Медведев В.А., Баи Г., Колесников Е.Ю. Ratiometric thermometry using single Er3+-doped CaWO4 phosphors Nanotechnology, 34, 055501 (год публикации - 2023)
10.1088/1361-6528/ac9a55

12. Вайшля Е.И., Афанасьева Е.В., Михайлов М.Д., Колесников И.Е. СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ВОЛЬФРАМАТА ЛЮТЕЦИЯ, ЛЕГИРОВАННОГО ИОНАМИ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ Тезисы докладов, c.35 (год публикации - 2022)

13. Колесников И.Е., Мамонова Д.В. Dual-center Gd2O3:Tb3+/Eu3+ nanophosphors for high-sensitive ratiometric thermometry Book of abstract, c. 69-70 (год публикации - 2022)

14. Колесников И.Е., Мамонова Д.В., Курочкин М.А., Медведев В.А., Колесников Е.Ю. Low-doped LaVO4:Eu3+ phosphor for multimode optical thermal sensing Phys. Chem. Chem. Phys., 24, 27940 (год публикации - 2022)
10.1039/d2cp04404h

15. Колесников И.Е., Мамонова Д.В., Курочкин М.А., Медведев В.А., Борисов Е.В., Колесников Е.Ю. Effect of calcination temperature on thermometric performances of ratiometric co-doped Gd2O3:Tb3+,Eu3+ nanothermometers Ceramics International, 49, 6899–6905 (год публикации - 2023)
10.1016/j.ceramint.2022.10.078

16. Колесников И.Е., Мамонова Д.В., Курочкин М.А., Медведев В.А., Колесников Е.Ю. Effect of doping concentration on dual-mode LaVO4:Eu3+ luminescence thermometers Ceramics International, 49, 20699–20705 (год публикации - 2023)
10.1016/j.ceramint.2023.03.201

17. Калиничев А.А., Афанасьева Е.В., Колесников Е.Ю., Колесников И.Е. Boltzmann-type cryogenic ratiometric thermometry based on Nd3+-doped LuVO4 phosphors Journal of Materials Chemistry C, 11, 12234 (год публикации - 2023)
10.1039/d3tc02043f

18. Колесников И.Е., Мамонова Д.В., Курочкин М.А., Ходасевич М.А., Медведев В.А., Колесников Е.Ю., Маньшина А.А. Single vs. mutliparametric luminescence thermometry: the case of Eu3+-doped Ba3(VO4)2 nanophosphors Journal of Materials Chemistry C, 11, 14814 (год публикации - 2023)
10.1039/d3tc03072e

19. Колесников И.Е., Мамонова Д.В., Курочкин М.А. Мультипараметричекая люминесцентная термометрия Материалы XIXмеждународной молодежной конференции по люминесценции и лазерной физике, с 106-107 (год публикации - 2023)

20. Вайшля Е.И., Афанасьева Е.В., Михайлов М.Д., Андреева В.Д., Колесников Е.Ю., Колесников И.Е. Synthesis, structural and luminescent properties of Lu2W3O12:Eu3+ concentration series Optical Materials, 147, 114739 (год публикации - 2024)
10.1016/j.optmat.2023.114739

21. Пак Вон-Ву, Ольшин П.К., Ким Е-Джин, Нхо Хак-Вон, Мамонова Д.В., Колесников, И.Е. Медведев В.А., Квон О-Хун Nanoscale Cathodoluminescence Thermometry with a Lanthanide-Doped Heavy-Metal Oxide in Transmission Electron Microscopy ACS Nano, 18, 4911−4921 (год публикации - 2024)
10.1021/acsnano.3c10020

22. Колесников И.Е., Мамонова Д.В., Афанасьева Е.В. LANTHANIDE-DOPED LUMINESCENCE THERMOMETRY Список тезисов, c. O57 (год публикации - 2024)

23. Курочкин М.А., Мамонова Д.В., Медведев В.А., Колесников Е.Ю., Колесников И.Е. Remote temperature sensing in microelectronics: optical thermometry using dual-center phosphors Nanotechnology, 35, 295501 (год публикации - 2024)
10.1088/1361-6528/ad3d61

Публикации