This study explores potential of Er3+-Yb3+ doped phosphors for up-conversion luminescence thermometry in the temperature range from 10 K to 300 K. Yttrium oxide nanopowder doped with trivalent ytterbium and erbium ions (Y1.97Yb0.02Er0.01O3) was prepared by hydrothermal synthesis as an example. The intensity ratios of up-conversion emissions from thermally coupled 2H11/2 and 4S3/2 levels of Er3+ show strong temperature dependence (in the range 150 K–300 K) with much higher relative sensitivity than those reported for thermometry above room temperature with Er3+-Yb3+ based up-conversion materials. The maximal value of relative sensitivity is 5.28%K−1 at 150 K, with temperature resolution ranging from 0.81 K to 0.06 K. In addition, the intensity ratios of emission from thermally non-coupled Er3+ levels (2H9/2 and 4F9/2) and from 4S3/2 also show temperature dependence that can be approximated with an exponential function. With these up-conversion emission ratios, it is possible measure temperature in the range of 10 K to 300 K with excellent sensitivity and resolution.

1.
X. D.
Wang
,
O. S.
Wolfbeis
, and
R. J.
Meier
,
Chem. Soc. Rev.
42
,
7834
(
2013
).
2.
P. R. N.
Childs
,
J. R.
Greenwood
, and
C. A.
Long
,
Rev. Sci. Instrum.
71
,
2959
(
2000
).
3.
C. D. S.
Brites
,
P. P.
Lima
,
N. J. O.
Silva
,
A.
Millan
,
V. S.
Amaral
,
F.
Palacio
, and
L. D.
Carlos
,
Nanoscale
4
,
4799
(
2012
).
4.
D.
Jaque
and
F.
Vetrone
,
Nanoscale
4
,
4301
(
2012
).
5.
L. H.
Fisher
,
G. S.
Harms
, and
O. S.
Wolfbeis
,
Angew. Chem. Int. Ed.
50
,
4546
(
2011
).
6.
C. D. S.
Brites
,
P. P.
Lima
,
N. J. O.
Silva
,
A.
Millan
,
V. S.
Amaral
,
F.
Palacio
, and
L. D.
Carlos
,
Nanoscale
5
,
7572
(
2013
).
7.
C. D. S.
Brites
,
P. P.
Lima
,
N. J. O.
Silva
,
A.
Millan
,
V. S.
Amaral
,
F.
Palacio
, and
L. D.
Carlos
,
J. Lumin.
133
,
230
(
2013
).
8.
M. G.
Nikolić
,
Ž.
Antić
,
S.
Ćulubrk
,
J. M.
Nedeljković
, and
M. D.
Dramićanin
, “
Temperature sensing with Eu3+ doped TiO2 nanoparticles
,”
Sens. Actuators B-Chem
(to be published).
9.
S. M.
Borisov
and
O. S.
Wolfbeis
,
Anal. Chem.
78
,
5094
(
2006
).
10.
V. A.
Vlaskin
,
N.
Janssen
,
J.
Rijssel
,
R.
Beaulac
, and
D. R.
Gammelin
,
Nano Lett.
10
,
3670
(
2010
).
11.
E. J.
McLaurin
,
V. A.
Vlaskin
, and
D. R.
Gammelin
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
14978
(
2011
).
12.
M. T.
Carlson
,
A.
Khan
, and
H. H.
Richardson
,
Nano Lett.
11
,
1061
(
2011
).
13.
L. M.
Maestro
,
E. M.
Rodríguez
,
F. S.
Rodríguez
,
I. M. C.
Cruz
,
A.
Juarranz
,
R.
Naccache
,
F.
Vetrone
,
D.
Jaque
,
J. A.
Capobianco
, and
J. G.
Solé
,
Nano Lett.
10
,
5109
(
2010
).
14.
D.
Jaque
,
L. M.
Maestro
,
E.
Escudero
,
M.
Rodríguez
,
J. A.
Capobianco
,
F.
Vetrone
,
J. A.
Fuente
,
S. F.
Rodríguez
,
I. M. C.
Cruz
,
C.
Jacinto
 et al.,
J. Lumin.
133
,
249
(
2013
).
15.
S.
Li
,
K.
Zhang
,
J. M.
Yang
,
L.
Lin
, and
H.
Yang
,
Nano Lett.
7
,
3102
(
2007
).
16.
V.
Lojpur
,
M. G.
Nikolić
,
D.
Jovanović
,
M.
Medić
,
Ž.
Antić
, and
M. D.
Dramićanin
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
141912
(
2013
).
17.
M. D.
Chambers
and
D. R.
Clarke
,
Annu. Rev. Mater. Res.
39
,
325
(
2009
).
18.
A.
Khalid
and
K.
Kontis
,
Sensors
8
,
5673
(
2008
).
19.
S. W.
Allison
and
G. T.
Gillies
,
Rev. Sci. Instrum.
68
,
2615
(
1997
).
20.
M. R.
Cates
,
W. S.
Allison
,
L. S.
Jaiswal
, and
L. D.
Beshears
, “
YAG:Dy and YAG:Tm fluorescence to 1700 °C
,” in
The 49th International Instrumentation Symposium
(The Instrumentation, Systems, and Automation Society, Orlando, Florida, May
2003
).
21.
Y.
Park
,
C.
Koo
,
H. Y.
Chen
,
A.
Han
, and
D. H.
Son
,
Nanoscale
5
,
4944
(
2013
).
22.
G. W.
Walker
,
V. C.
Sundar
,
C. M.
Rudzinski
,
A. W.
Wun
,
M. G.
Bawendi
, and
D. G.
Nocera
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
3555
(
2003
).
23.
H.
Sakaue
,
A.
Aikawa
, and
Y.
Iijima
,
Sens. Actuators B
150
,
569
(
2010
).
24.
D.
Cauzzi
,
R.
Pattacini
,
M.
Delferro
,
F.
Dini
,
C.
Di Natale
,
R.
Paolesse
,
S.
Bonacchi
,
M.
Montalti
,
N.
Zaccheroni
,
M.
Calvaresi
,
F.
Zerbetto
, and
L.
Prodi
,
Angew. Chem., Int. Ed.
51
,
9662
(
2012
).
25.
Z. P.
Cai
and
H. Y.
Xu
,
Sens. Actuators A
108
,
187
(
2003
).
26.
C. D. S.
Brites
,
P. P.
Lima
,
N. J. O.
Silva
,
A.
Millán
,
V. S.
Amaral
,
F.
Palacio
, and
L. D.
Carlos
,
Adv. Mater.
22
,
4499
(
2010
).
27.
H. S.
Peng
,
S. H.
Huang
, and
O. S.
Wolfbeis
,
J. Nanopart. Res.
12
,
2729
(
2010
).
28.
O. A.
Lopez
,
J.
McKittrick
, and
L. E.
Shea
,
J. Lumin.
71
,
1
(
1997
).
29.
G.
Yi
,
H.
Lu
,
S.
Zhao
,
Y.
Ge
,
W.
Yang
,
D.
Chen
, and
L.
Guo
,
Nano Lett.
4
,
2191
(
2004
).
30.
X. X.
Luo
and
W. H.
Cao
,
Mater. Lett.
61
,
3696
(
2007
).
31.
T.
Zako
,
H.
Hoyodo
,
K.
Tsuji
,
K.
Tokuzen
,
H.
Kishimoto
,
M.
Ito
,
K.
Kaneko
,
M.
Maeda
, and
K.
Soga
,
J. Nanomater.
2010
,
491471
(
2010
).
32.
N.
Ishiwada
,
T.
Ueda
, and
T.
Yokomori
,
Luminescence
26
,
381
(
2011
).
33.
N.
Fuhrmann
,
E.
Baum
,
J.
Brübach
, and
A.
Dreizler
,
Rev. Sci. Instrum.
82
,
104903
(
2011
).
34.
K. S.
Singh
,
K.
Kumar
, and
S. B.
Rai
,
Sens. Actuators A-Phys. A
149
,
16
(
2009
).
35.
P.
Gluchowski
and
W.
Strek
,
Opt. Mater.
35
,
731
(
2013
).
36.
W.
Xu
,
X.
Gao
,
L.
Zheng
,
P.
Wang
,
Z.
Zhang
, and
W.
Cao
,
Appl. Phys. Express
5
,
072201
(
2012
).
37.
N.
Rakov
and
G. S.
Maciel
,
Sens. Actuators B-Chem.
164
,
96
(
2012
).
38.
S.
Zhou
,
C.
Li
,
Z.
Liu
,
S.
Li
, and
C.
Song
,
Opt. Mater.
30
,
513
(
2007
).
39.
L.
Mančić
,
V.
Lojpur
,
B. A.
Marinković
,
M. D.
Dramićanin
, and
O.
Milošević
,
Opt. Mater.
35
,
1817
(
2013
).
40.
L.
Aigouy
,
E.
Saïdi
,
L.
Lalouat
,
J.
Labéguerie-Egéa
,
M.
Mortier
,
P.
Löw
, and
C.
Bergaud
,
J. Appl. Phys.
106
,
074301
(
2009
).
41.
S.
Zhou
,
K.
Deng
,
X.
Wei
,
G.
Jiang
,
C.
Duan
,
Y.
Chen
, and
M.
Yin
,
Opt. Commun.
291
,
138
(
2013
).
42.
T.
Gavrilović
,
D. J.
Jovanović
,
V.
Lojpur
, and
M. D.
Dramićanin
,
Sci. Rep.
4
,
4209
(
2014
).
43.
M. L.
Debasu
,
D.
Ananias
,
I.
Pastoriza-Santos
,
L. M.
Liz-Marzán
,
J.
Rocha
, and
L. D.
Carlos
,
Adv. Mater.
25
,
4868
(
2013
).
44.
E.
Saïdi
,
B.
Samson
,
L.
Aigouy
,
S.
Volz
,
P.
Löw
,
C.
Bergaud
, and
M.
Mortier
,
Nanotechnology
20
,
115703
(
2009
).
45.
B. S.
Cao
,
Y. Y.
He
,
Z. Q.
Feng
,
Y. S.
Li
, and
B.
Dong
,
Sens. Actuators B–Chem.
159
,
8
(
2011
).
46.
C.
Li
,
B.
Dong
,
S.
Li
, and
C.
Song
,
Chem. Phys. Lett.
443
,
426
(
2007
).
You do not currently have access to this content.