Advanced Functional Materials:基质微结构演化揭示应力发光机制

可再生应力发光材料是一类独特的机械-光转换型发光体,其发光过程具有出色的结构完整性和再现性优势,已在应力分布可视化观测、力驱动的照明和显示、力刺激响应性信息加密和防伪,以及生物成像或激励等领域展现出广泛的应用前景。然而,高性能应力发光材料的滞后发展严重制约了实用化的进程。其主要原因在于对应力发光机制认知的不足。当前的应力发光机理研究大多局限于对孤立材料个别现象的讨论,忽略了与相关材料系统的比较,难以获得对应力发光图像的系统性认识,因而无法指导高性能材料的按需设计。

中国海洋大学张君诚课题组和香港理工大学黄勃龙课题组通过实验合成与理论计算的紧密合作对这一问题进行了深入探讨:采用基质微结构演化策略构建了晶体结构-电子结构-应力发光的关联系统,并成功合成了一系列可再生应力发光材料,从而系统性揭示了获得高效应力发光的微观机制,为全面认识应力发光的物理过程提供了新思路。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202100221)上。

在本项工作中,研究团队基于上述策略设计合成了一系列Mn2+激活的(Na/Li)2(Zn/Mg)(Si/Ge)O4材料,通过对所构建的晶体结构-电子结构-应力发光关联系统平台的实验研究和理论分析,揭示了发展和优化可再生应力发光的微观机制。主要发现包括:Na2ZnGeO4:Mn2+表现出优异的应力发光性能,包括高亮度,高机械灵敏度以及出色的稳定性和可重复性,特别适合于视觉观察应力分布;在中心对称型基质晶格中也可以获得压电发光;Mn2+掺杂引起能带偏移从而进一步引起不同多样化分布的电子陷阱,提供了隧穿和导带传输两种电子转移机制有效提升电子-空穴的复合效率;由于陷阱辅助的能量转移过程,应力发光中激活剂的临界浓度比光致发光低。这些工作将对发光机理和潜在的结构-性能关系的全面理解提供参考,并促进新型应力发光材料系统的快速开发。

论文信息:

Discovering and Dissecting Mechanically Excited Luminescence of Mn2+ Activators via Matrix Microstructure Evolution

Jun‐Cheng Zhang, Nan Gao, Lei Li, Shanshan Wang, Xiaofeng Shi, Mingzi Sun, Xu Yan, Hong‐Wei He, Xin Ning, Bolong Huang, Jianrong Qiu

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202100221