用户速递 | Advanced Science:自充能/可持续力致发光材料研究成果分享

2024-02-22 19:39:54, 光电行业都会关注 北京卓立汉光仪器有限公司


中国科学院兰州化学物理研究所王赵锋研究员团队研制出一种自充能、可持续力致发光材料Sr3Al2O5Cl2:Dy3+/PDMS(SAOCD/PDMS),该材料在力学的刺激下,无需预辐照即可产生明亮的长寿命力致发光,有效避免了此前材料在使用时的预辐照需求,极大提升了长寿命力致发光材料的应用便利性。今天小编为大家分享该研究成果,希望对您的科学研究或工业生产带来一些灵感和启发。

应用方向:力致发光;荧光光谱;力学照明、显示、成像

自充能、可持续力致发光

力致发光是指材料在力学刺激下产生的一种发光行为。由于其独特的力学-光学响应特性,力致发光为实现力学传感及其可视化提供了新思路和新途径。目前发现的力致发光材料多数仅表现出动态力学刺激下的瞬态发射行为,极大地限制了其在力学的可视化显示和成像方面的应用。可持续力致发光材料能够在力学刺激停止后继续保持发光行为,对可持续力致发光材料的开发是应对上述问题的有效方式。此前,研究人员通过陷阱工程设计,在特定材料体系中获得了力学刺激后可持续的力致发光现象。然而,该类可持续力致发光材料在使用前必须经历预辐照,在其结构内部预先储存能量,这不仅增加了实际应用时操作的难度,也难以实现该类材料的循环稳定使用。因此,实现无需预辐照的自充能、可持续力致发光成为当前研究的热点之一。

中国科学院兰州化学物理研究所王赵锋团队在国际知名期刊Advanced Science上发表的题为“Self‐charging persistent mechanoluminescence with mechanics storage and visualization activities”的研究论文。本文研制出一种自充能、可持续力致发光材料——Sr3Al2O5Cl2:Dy3+/PDMS(SAOCD/PDMS),该材料在力学的刺激下,无需预辐照即可产生明亮的长寿命力致发光,有效避免了此前材料在使用时的预辐照需求,极大提升了长寿命力致发光材料的应用便利性。

本工作通过将SAOCD (SAOCD) 粉末复合到PDMS基质中,创建了一种新型的力致发光材料,即自充能、可持续力致发光材料。无需任何预辐照,所制备的SAOCD/PDMS弹性体可以直接在力学刺激下表现出强烈且持久的力致发光,这极大地促进了其在力学照明、显示、成像和可视化中的应用。通过研究基体效应以及热释光、阴极发光和摩擦电特性,界面摩擦起电诱导的电子轰击过程被证明是机械刺激下SAOCD中自充能能量的原因。基于独特的自充电过程,SAOCD/PDMS进一步展现出力学存储和可视化读取行为,为机械工程、生物工程和人工智能领域处理力学相关问题带来了新颖的思路和方法。

自激活、长寿命力致发光材料的设计制备与性能研究

图1 SAOCD/PDMS复合弹性体的制备流程、性状及力致发光性能

当施加拉伸、摩擦、压缩等力学刺激时,复合弹性体呈现出直接的自激活力致发光,不需要额外的预辐照(图1c)。复合弹性体的力致发光性能随SAOCD颗粒中Dy的含量增加呈现出先增后减的趋势(图1d)。随着施加应变的增加,SAOCD/PDMS弹性体的ML强度随之增加,其在应力/应变传感方面表现出良好的应用价值。此外,该复合弹性体的力致发光还表现出良好的热稳定性(图1f)。

图2 (a)SAOCD的力致发光和余辉示意图;(b)SAOCD/PDMS复合弹性体在拉伸、摩擦、压缩条件下的力致发光和余辉照片;(c)不同浓度Dy离子掺杂SAOCD/PDMS复合弹性体的摩擦余辉光谱图。

该材料在力学的刺激下,无需预辐照即可产生明亮的长寿命力致发光(图2),有效避免了此前材料在使用时的预辐照需求,极大提升了可持续力致发光材料的应用便利性。

图3 SAOCD的自激活力致发光及余辉机理。

明确了SAOCD/PDMS的自激活力致发光和余辉的物理过程,即在外力刺激下SAOCD与PDMS产生界面摩擦电作用,SAOCD的电子转移到PDMS表面,SAOCD与PDMS间形成高能电场,PDMS表面电子被加速,轰击SAOCD,使得SAOCD中的电子受激从价带跃迁至导带,一部分直接和发光中心结合产生力致发光,另一部分被陷阱捕获,外力撤除后自发释放转移至发光中心产生余辉。

机械力学信息的存储与可视化读取器件研究

图4 (a)力致发光复合材料的应力存储和可视化读取示意图;(b)SAOCD/PDMS复合弹性体对机械力学信息的存储、读取原理及功能展示。

通过利用SAOCD/PDMS材料中特有的自充能物理过程,进一步发展出了一种力学信息的存储与可视化读取技术(图4)。在机械刺激下,力学信息将会以陷阱捕获载流子的方式在材料内部进行存储,随后,在热刺激下,所存储的力学信息将以可视化的形式得到读取,所存储和读取的力学信息主要包括力学强度、发生时间及其空间分布等。

王赵锋简介

中国科学院兰州化学物理研究所研究员,博士生导师,2006年毕业于兰州大学材料化学专业,获理学学士学位,2011年毕业于兰州大学材料物理与化学专业,获工学博士学位。2011年至今,先后于中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室、美国德克萨斯州立大学化学与生物化学系、美国康涅狄格大学材料科学研究所进行科学研究。主要研究方向为摩擦/力致发光材料及应用,在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct.Mater., Nano Energy, Mater. Horiz., Adv. Sci.等期刊发表论文100余篇(被引用5000余次,h因子40),编写书籍章节两部,申请/授权国家发明专利10余项,研究成果被国内外知名媒体如中国科学报、中国科普博览、人民日报、中科院之声、New Scientist、Nanowerk、Science Trends等专题报道。现为国内知名期刊《稀土学报(英文版)》、《材料导报》、《发光学报》青年编委,以及中国机械工程学会表面工程分会青年学组特邀专家。2015年获美国环境保护署P3提名奖,2017年获甘肃省自然科学二等奖,2018年获中科院高层次人才计划择优支持,2020年获甘肃省杰出青年基金支持,所带领的研究团队获2021年度甘肃省“青年安全生产示范岗”荣誉称号,2022年获中科院区域发展青年学者称号。

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本研究的力致发光光谱数据采用卓立汉光搭建的组合荧光系统采集,配置Omni-λ300i系列“影像谱王”光栅光谱仪对光谱进行分光。

目前,该组合荧光系统已经升级为OmniFluo900 系列稳态瞬态荧光光谱仪,如需了解该产品,欢迎咨询。

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