实验室夏志国教授团队：柔性复合荧光光纤传感器用于多场景动态温度监测

柔性复合荧光光纤传感器作为集成荧光材料与光纤的测温器件，兼具二者的优异性质，其响应快，灵敏度高，能够抵抗电磁干扰。通过定制调控加入复合光纤的荧光材料，制造出具有良好测温性能的柔性光纤，用于多场景的动态温度监测，其应用领域包括智能可穿戴设备监测生理温度、植入软包电池监控电池热量聚集等，可覆盖生物、能源等多个领域。

近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室的夏志国教授课题组分别利用Er3+/Yb3+共掺杂的无机氧化物Li2HfO3和卤素钙钛矿Cs2NaLuCl6纳米晶，将其分别于荧光光纤结合，根据Er3+的上转换发光FIR随温度变化的规律，实现了高灵敏度、高测温精度的实时温度监测，并成功应用于人体皮肤温度及气流热动态传感及软包电池内部温度的实时监测。

针对柔性温度传感器在可穿戴应用中面临的稳定性不足、灵敏度与测温精度难以兼顾、信号易受干扰等挑战，团队提出基于Er3+/Yb3+共掺杂Li2HfO3荧光材料与双包层柔性光纤的协同创新方案。利用2H11/2与4S3/2热耦合能级特性，结合荧光强度比（FIR）技术实现温度响应，在300 K时获得0.875% K-1的测温相对灵敏度。

图1. Li2HfO3:Yb/Er荧光材料的发光及温度传感性能

图2. Li2HfO3:Yb/Er荧光光纤的制备及温度传感应用特性

进一步制备的柔性复合荧光光纤温度传感器具有良好的灵敏度、准确性和重复性。其中，设计的双包层柔性光纤结构，内层包覆Li2HfO3:Er3+/Yb3+荧光材料作为温度传感核心，外层的低折射率包层抑制环境杂散光，保障信号传输稳定性，使传感器能保持±0.1 K的高精度。得益于更优良的导光性、更准确的温度响应性以及光纤柔性，双包层柔性光纤成功应用于人体皮肤和气流热的温度监测。

图3. Li2HfO3:Yb/Er荧光光纤的实时温度传感演示

在另外一个工作中，研究团队设计制备了具有热增强发光的Cs2NaLuCl6:Yb/Er上转换纳米晶，进一步制造出柔性荧光光纤，测温误差为±0.13 K，能实现在软包电池中温度的实时原位监控。

图4. Cs2NaLuCl6:Yb/Er纳米晶的形貌及发光热增强特性

图5. Cs2NaLuCl6:Yb/Er荧光光纤的制备及温度传感性能

图6. Cs2NaLuCl6：Yb/Er荧光光纤在软包电池中的温度传感

相关研究成果分别以“Flexible compositefluorescent optical fiber sensor embedded with Li2HfO3:Er3+/Yb3+for physiological temperature monitoring”为题发表在Laser & photonicsreviews上（通讯作者为夏志国教授和汪玉珍博士后，第一作者为朱茜硕士生）及“Fiber Optic Boltzmann Thermometry in a Doped Halide Double Perovskitefor Dynamic Temperature Monitoring in Pouch Cell” 为题发表在Small上（第一作者为汪玉珍博士后，通讯作者为夏志国教授）。上述研究工作得到了国家自然科学基金项目（52302177和52425206），广东省基础与应用基础研究基金项目（2024A1515011070）等科研项目的资助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202501651

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/lpor.202402225