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【中科院之声】长寿命摩擦/力致发光材料研究获进展

  摩擦/力致发光是指材料在摩擦学、力学等刺激下产生的一种发光行为。由于其独特的摩擦学/力学-光学响应特性,摩擦/力致发光为实现摩擦学/力学传感及其可视化提供了新思路和新途径。目前发现的摩擦/力致发光材料多数仅表现出动态摩擦学、力学刺激下的瞬态发射行为,极大地限制了其在摩擦学/力学的可视化显示和成像方面的应用。

  长寿命摩擦/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摩擦学、力学刺激后持续、长寿命的摩擦/力致发光现象。然而,该类长寿命摩擦/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。

  金沙js6666固体润滑国家重点实验研究员王赵锋团队长期致力于摩擦/力致发光研究。此前,该团队通过陷阱工程发展出了多种长寿命摩擦/力致发光材料(; ; ),并针对非压电、非陷阱摩擦/力致发光现象,提出了界面摩擦电场诱导电子轰击发光模型()。

  在上述研究工作的指导下,近日,该团队研制出一种自充能、长寿命摩擦/力致发光材料——Sr3Al2O5Cl2:Dy3+/PDMS (SAOCD/PDMS),该材料在摩擦学、力学的刺激下,无需预辐照即可产生明亮的长寿命摩擦/力致发光(图1),有效避免了此前材料在使用时的预辐照需求,极大提升了长寿命摩擦/力致发光材料的应用便利性。

  为揭示SAOCD/PDMS的自充能、长寿命摩擦/力致发光原理,研究人员进一步分析了材料的热释光、阴极射线发光、摩擦电性能及发光的基体效应。结果表明,界面摩擦电场诱导电子轰击物理过程是SAOCD/PDMS产生自充能、长寿命摩擦/力致发光的关键。在机械刺激下,SAOCD颗粒与PDMS链间产生界面摩擦电作用,使得电子从SAOCD迁移到PDMS。之后,在界面摩擦电场的作用下,PDMS上的电子加速轰击SAOCD,引起SAOCD内部电子从价带跃迁到导带。跃迁至导带的电子一部分转移至Dy3+的特征能级,产生自激活摩擦/力致发光,另一部分电子被结构中陷阱(主要是浅陷阱)所捕获,该过程即为自充能。在机械刺激后,这些自充能电子在室温下将会自发转移至导带和Dy3+的特征能级,从而产生独特的自充能、长寿命摩擦/力致发光现象(图2)。

  自充能、长寿命摩擦/力致发光的发现,克服了传统长寿命摩擦/力致发光材料对预辐照的需求,其在持续力学显示和成像方面具有重要的应用价值。同时,研究人员通过利用SAOCD/PDMS材料中特有的自充能物理过程,进一步发展出了一种摩擦学和力学信息的存储与可视化读取技术(图3)。在机械刺激下,摩擦学、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,所存储的摩擦学、力学信息将以可视化的形式得到读取,所存储和读取的摩擦学、力学信息主要包括摩擦学/力学强度、发生时间及其空间分布等。

  相关成果近期以Self-charging persistent mechanoluminescence with mechanics storage and visualization activities为题发表在上。相关研究工作得到甘肃省杰出青年基金、中科院战略性先导科技专项(B类)、兰州化物所“一三五”重点培育项目等的支持。

图1 SAOCD/PDMS的自充能、长寿命摩擦/力致发光性能 

2 SAOCD/PDMS的自充能、长寿命摩擦/力致发光机理 

图3 基于SAOCD/PDMS自充能过程的摩擦学、力学信息存储与可视化读取

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