【引言】

應(yīng)力發(fā)光材料（Mechanoluminescent Materials）受到機(jī)械刺激時會發(fā)射出光子，廈大熙因而在建筑結(jié)構(gòu)探傷、解榮軍電子簽名系統(tǒng)、莊逸中開電子皮膚等諸多領(lǐng)域具有重要的混合陰合物應(yīng)用價值。然而，離化由于對應(yīng)力發(fā)光材料的廈大熙構(gòu)效關(guān)系和發(fā)光機(jī)理理解不夠深入，已報道的解榮軍應(yīng)力發(fā)光材料幾乎都是在實驗中偶然發(fā)現(xiàn)或者通過試錯法獲得的，在材料開發(fā)中缺乏系統(tǒng)性的莊逸中開指導(dǎo)方法。目前，混合陰合物具有實際應(yīng)用價值的離化高亮度彈性應(yīng)力發(fā)光材料主要局限于ZnS:Mn²⁺/Cu⁺（橙色/青色）和SrAl₂O₄:Eu²⁺（綠色）等少數(shù)幾種材料，其應(yīng)力發(fā)光波長主要落入可見光區(qū)域。廈大熙應(yīng)力發(fā)光材料的解榮軍種類和發(fā)光波長大大限制了其應(yīng)用范圍，也導(dǎo)致在具體應(yīng)用中需要增加隔離水氧、莊逸中開遮蔽自然光等復(fù)雜操作?；旌详幒衔锬壳耙阎碾x化應(yīng)力發(fā)光材料無法滿足在明場下的應(yīng)力傳感和生物應(yīng)力成像中的應(yīng)用要求，急需開發(fā)出更多新型的高穩(wěn)定性、高亮度應(yīng)力發(fā)光材料體系，并大幅拓展其發(fā)光波長范圍。

【成果簡介】

近日，廈門大學(xué)材料學(xué)院解榮軍教授、莊逸熙副教授（共同通訊作者）與武漢大學(xué)、中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所合作提出了在混合陰離子化合物中引入稀土離子或過渡金屬離子實現(xiàn)可見-近紅外多波段可調(diào)諧應(yīng)力發(fā)光的設(shè)計思路?；旌详庪x子化合物由于不同陰離子的尺寸、電荷、電負(fù)性、極性差異，引起陽離子周圍局域?qū)ΨQ性的破壞，容易獲得非中心對稱晶體結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生壓電性。在具有非中心對稱的混合陰離子化合物中引入特定的發(fā)光中心，通過壓電效應(yīng)和光致發(fā)光效應(yīng)的耦合作用實現(xiàn)多個波段的應(yīng)力發(fā)光。研究團(tuán)隊基于上述設(shè)計思路開發(fā)出SrZn₂S₂O、SrZnSO、b-SiAlON和SrSi₂O₂N₂等一系列應(yīng)力發(fā)光材料體系，實現(xiàn)了470 -1600 nm超寬帶可調(diào)諧應(yīng)力發(fā)光，尤其豐富了近紅外發(fā)光波段。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊首次提出了一種基于近紅外應(yīng)力發(fā)光（~ 1534 nm）和近紅外光探測的明場應(yīng)力傳感方式。這種明場應(yīng)力傳感方式不易受環(huán)境自然光的影響，大大提高了探測靈敏度，有效簡化了器件結(jié)構(gòu)。該項研究成果以題為“Creating Visible-to-Near-Infrared Mechanoluminescence in Mixed-Anion Compounds SrZn₂S₂O and SrZnSO”發(fā)表在Nano Energy上。碩士研究生陳昌健為論文第一作者。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 混合陰離子化合物中應(yīng)力發(fā)光材料的設(shè)計路線及其應(yīng)用

(a) 混合陰離子化合物中應(yīng)力發(fā)光材料的設(shè)計路線；

(b) 實現(xiàn)可見-近紅外多波段可調(diào)諧應(yīng)力發(fā)光；

(c) 暗場和明場環(huán)境下的應(yīng)力傳感應(yīng)用。

?圖2 具有混合陰離子結(jié)構(gòu)單元的應(yīng)力發(fā)光材料的結(jié)構(gòu)和形貌

(a-c) SrZn₂S₂O:Mn²⁺的XRD圖譜、SEM形貌和EDX元素分布；

(d-g) SrZn₂S₂O:Mn²⁺、SrZnSO:Pr³⁺、b-SiAlON:Eu²⁺和SrSi₂O₂N₂:Yb³⁺的晶體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 應(yīng)力發(fā)光材料的光致發(fā)光性能

(a) SrZn₂S₂O的紫外-可見漫反射光譜；

(b) SrZn₂S₂O:Mn²⁺的激發(fā)、發(fā)射和吸收光譜；

(c) SrZn₂S₂O:Mn²⁺的熒光衰減曲線；

(d) SrZn₂S₂O:Mn²⁺的熒光熱猝滅特性；

(e) SrZnSO的紫外-可見漫反射光譜；

(f) SrZnSO:Pr³⁺的激發(fā)、發(fā)射和吸收光譜。

??圖4 應(yīng)力發(fā)光光譜和機(jī)理示意圖

(a-d) SrZn₂S₂O:Mn²⁺、SrZnSO:Pr³⁺、b-SiAlON:Eu²⁺和SrSi₂O₂N₂:Yb³⁺的應(yīng)力發(fā)光光譜和熒光光譜；

(e) 應(yīng)力發(fā)光機(jī)理示意圖（以SrZn₂S₂O:Mn²⁺為例）。

??圖5 可見-近紅外多波段可調(diào)諧應(yīng)力發(fā)光

(a-b) 不同稀土離子和過渡金屬離子摻雜的SrZnSO的應(yīng)力發(fā)光光譜；

(c) 多色應(yīng)力發(fā)光的CIE坐標(biāo)；

(d) 多色應(yīng)力發(fā)光材料在電子簽名系統(tǒng)中的應(yīng)用演示。

?圖6 多觸點應(yīng)力傳感和明場下的應(yīng)力傳感

(a) 應(yīng)力發(fā)光薄膜制備示意圖；

(b) 多觸點應(yīng)力傳感模型圖；

(c) 多觸點施壓下的應(yīng)力發(fā)光成像；

(d) 多觸點施壓下的應(yīng)力發(fā)光偽彩圖像；

(e) 應(yīng)力發(fā)光強(qiáng)度的線分布（沿綠色框線）；

(f) 明場應(yīng)力傳感應(yīng)用示意圖，左邊為可見光相機(jī)（普通數(shù)碼相機(jī)），右邊為近紅外相機(jī)，下方為涂覆SrZnSO:Er³⁺的應(yīng)力發(fā)光薄膜；

(g) 可見光相機(jī)拍攝的動態(tài)圖像，應(yīng)力軌跡被完全環(huán)境光覆蓋；

(h) 近紅外相機(jī)拍攝的動態(tài)圖像，應(yīng)力軌跡可清晰讀出。

【總結(jié)】

本文提出了一種開發(fā)新型應(yīng)力發(fā)光材料的新策略，即基于混合陰離子化合物構(gòu)造局域非對稱結(jié)構(gòu)單元和宏觀非中心對稱晶體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)應(yīng)力發(fā)光，成功開發(fā)出包括SrZn₂S₂O、SrZnSO、b-SiAlON和SrSi₂O₂N₂等一系列性能優(yōu)良的應(yīng)力發(fā)光材料體系，并獲得覆蓋470 - 1600nm的超寬帶多波段可調(diào)諧應(yīng)力發(fā)光。此外，利用近紅外應(yīng)力發(fā)光和近紅外光探測器實現(xiàn)明場環(huán)境下的應(yīng)力探測，避免了可見光的干擾，大大提高了探測靈敏度，有效簡化了器件結(jié)構(gòu)。考慮到混合陰離子材料家族的多樣性，該項工作可能為開發(fā)更多應(yīng)力發(fā)光材料和器件提供指導(dǎo)，推動應(yīng)力發(fā)光材料在壓力傳感、人機(jī)界面、光學(xué)防偽和結(jié)構(gòu)探傷等領(lǐng)域的應(yīng)用。

文獻(xiàn)鏈接：Creating Visible-to-Near-Infrared Mechanoluminescence in Mixed-Anion Compounds SrZn₂S₂O and SrZnSO(Nano Energy, 2020, 68, 104329)

該項工作得到國家自然科學(xué)基金重點項目51832005、面上項目51872247及中國科協(xié)“青年人才托舉工程”項目2018QNRC001支持。

本文由廈門大學(xué)解榮軍教授團(tuán)隊供稿，材料牛整理編輯。

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