成功研制纳米尺度温度计

近日，深圳技术大学集成电路与光电芯片学院宁存政教授团队和清华大学电子工程系开发了一种纳米尺度温度计。该温度计是一种可以按照不同测温需求，对目标测温参数进行自优化的单根合金铒纳米线温度传感器，实现了4K到500K（0K约等于-273.15摄氏度）的宽温区测量。

温度测量，对于前沿科学研究、工业生产以及个人和家庭生活等许多方面都起着极为重要的作用。但传统的测温技术如水银温度计、热电阻技术、红外探测等，由于要求接触式使用、测温精度和灵敏度及测温范围等受到限制，无法满足许多场合的需要。近年来，基于镧系稀土元素的荧光温度测量技术成为一个越来越重要的温度测量手段。这种远程的光学温度测量技术已经在诸如细胞科学、活体生物学、集成光电子科学等诸多领域产生了举足轻重的影响。

尽管这个领域近来从材料到测量技术本身都在蓬勃发展，但在温区范围、低温区的温度测量和测温灵敏度等方面仍然存在许多技术上的挑战。为解决这些难题，深圳技术大学集成电路与光电芯片学院宁存政教授团队和清华大学电子工程系展开联合攻关。

此次实验所用的发光材料系一种独特的稀土硅酸盐合金纳米线。宁存政团队在10多年前发现了这种高质量的单晶合金材料，此后对其进行了多方面的系统研究。本次研究通过对生长工艺的不断优化，得到了接近完美的单晶纳米线，其极强的发光使得单根纳米线足以作为测温的荧光物质，同时高质量的材料发出的谱线极窄可以对极低的温度和很小的温度变化进行测量。通过采集一帧光谱，可以构建很多个温度响应函数，并通过计算机程序实现针对不同测温目标的自优化温度响应函数选择。这是首次将测温函数的自优化选择和荧光测温结合，保证了大温度范围的最优温度测量。

除了灵敏，利用这种铒合金纳米材料的另一个优势，是波长在1530纳米附近的光谱窗口对应于光通信的C波段以及损耗极低的生物近红外光学窗口，对生物体的穿透深度较可见光大很多，因此该温度测量技术之后可能会在这两个领域产生重要影响。单根纳米线和普通水银温度计相比，尺寸小4个数量级。与目前绝大多数荧光温度传感器相比，单根纳米线具有更好的操控性，而用单根纳米线做生物细胞内窥测量的技术已经被其他研究组所验证，因此该温度测量技术有可能在单细胞温度学研究中产生重要作用。