Lumineszente Thermometer gelten als vielversprechende Kandidaten, um nicht-invasiv aus der Ferne die Temperatur auf der Mikro- oder Nanoskala in situ auszulesen. Potenzielle Anwendungsgebiete reichen von der Katalyse über die Mikroelektronik hin zu möglicher Sensorik in biologischen Systemen. Dreiwertige Lanthanoid-Ionen mit ihren schmalbandigen 4fn-4fn-Übergängen im Festkörper und ihrer reichen elektronischen Struktur sind hier besonders prominente Vertreter. Ihre elektronischen Niveaus haben häufig Energieabstände in der Größenordnung thermischer Energien, sodass das Intensitätsverhältnis der Lichtemission aus diesen angeregten Niveaus typischerweise einer Boltzmann-Verteilung folgt.
Die thermische Überbrückung einer einzigen Energielücke erlaubt jedoch nur präzise Thermometrie über einen limitierten Temperaturbereich. Dieser Temperaturmessbereich lässt sich thermodynamisch sehr einfach erweitern, wenn sukzessive mehrere Energielücken genutzt werden. Gd3+ (4f7) bietet genau eine solche gewünschte elektronische Struktur und erlaubt daher prinzipiell die praktische Umsetzung dieses Konzepts. Allerdings absorbiert es sehr schlecht im UV-Bereich, was die Nutzung kostspieliger Laserquellen erfordern würde.
Dieser Nachteil lässt sich durch Nutzung eines geschickten Energietransfers mit dem chemischen Verwandten Pr3+ (4f2) lösen: Pr3+ absorbiert effizient blaues Licht mit Wellenlänge von 450 nm, das kostengünstig mit hoher Intensität verfügbar ist. Durch ausreichend intensive Anregung mit Hochleistungs-LEDs mit blauem Licht kann Pr3+ jedoch effizient in den UV-Bereich angeregt werden – diesen Prozess nennt man Aufkonversion. Schließlich erfolgt dann der Energietransfer auf die Gd3+-Ionen, die die gewünschte Lumineszenz zeigen. Auf diese Weise konnten wir ein lumineszentes Thermometer konzipieren, das praktischen Anforderungen genügt und gleichzeitig über einen weiten Temperaturbereich mit hoher Präzision (zwischen 30 K und 800 K mit durchgängig unter ± 1 K statistischem Auslesefehler) funktioniert.
Die Arbeit ist in der renommierten Nature-Zeitschrift Light: Science & Applications erschienen und open access zugänglich: https://doi.org/10.1038/s41377-021-00677-5