北京高压科学研究中心林传龙团队JPCC：揭示SrZn₂S₂O:Mn²⁺高压下速率依赖型力致发光特性
一、核心速览
北京高压科学研究中心的研究团队在JPCC上发表了一项突破性研究成果。该研究聚焦于SrZn₂S₂O:Mn²⁺材料在高压环境下的速率依赖型力致发光（Mechanoluminescence, ML）特性，为时间表征光电器件的设计提供了全新思路。SrZn₂S₂O作为一种二维层状异阴离子氧硫化合物，展现出了独特的光学性能，尤其在掺杂Mn²⁺离子后，其力致发光行为在高压快速压缩条件下表现出显著的振荡特性，这一发现对于理解力致发光材料的发光机制及其在极端条件下的应用具有重要意义。
二、研究背景
力致发光材料能够在机械刺激下发出光，这一特性使其在压力传感、应力监测及非接触式触摸传感等领域展现出巨大的应用潜力。近年来，SrZn₂S₂O因其非中心对称的正交结构和宽禁带特性而备受关注。研究表明，掺杂Mn²⁺离子的SrZn₂S₂O材料在光致发光、X射线致发光及力致发光方面均表现出优异的性能。然而，关于其在高压和速率依赖条件下的力致发光动力学研究尚不充分，特别是在理解压力与速率对ML性能的耦合效应方面仍存在诸多挑战。因此，深入研究SrZn₂S₂O:Mn²⁺材料在高压下的ML特性，对于揭示其发光机制及开发新型光电器件具有重要意义。
三、研究方法
研究团队采用高温固相反应法制备了Mn²⁺掺杂的SrZn₂S₂O荧光材料，并利用动态金刚石压砧（dDAC）、原位高压同步辐射X射线衍射（XRD）、光致发光（PL）和热释光（TL）等技术手段，系统地研究了该材料在高压不同速率压缩条件下的结构演化和ML行为。通过结合实验结果与压电去陷阱模型，团队深入探讨了速率依赖型ML行为的内在机制。
四、实验设计
实验设计主要围绕高压下SrZn₂S₂O:Mn²⁺材料的ML行为展开。首先，通过高温固相反应法制备了不同Mn²⁺掺杂浓度的SrZn₂S₂O样品，并筛选出最优掺杂浓度（4%）进行后续研究。接着，利用动态金刚石压砧装置在高压条件下对样品进行压缩实验，同时监测其ML行为。通过改变压缩速率和压力范围，系统研究了速率和压力对ML行为的影响。此外，还结合XRD、PL和TL等技术手段对样品的结构和光学性能进行了表征。
五、结果与分析
1. 结构与光学性能SrZn₂S₂O:Mn²⁺材料在常压条件下表现出纯非中心对称正交结构，且Mn²⁺离子均匀掺杂在SrZn₂S₂O基质中。随着Mn²⁺掺杂浓度的增加，XRD衍射峰向低角度偏移，表明晶格参数略有增大。在光致发光方面，SrZn₂S₂O:Mn²⁺材料在375nm激光激发下发出橙色光，峰值波长位于584nm，归属于Mn²⁺离子的4T1(4G)→6A1(6S)跃迁。此外，在高压条件下，该材料的PL光谱表现出随压力增加而红移和强度减弱的现象。
2. 速率依赖型ML行为在高压快速压缩条件下，SrZn₂S₂O:Mn²⁺材料展现出显著的速率依赖型ML行为。当压缩速率约为1.7-4.7 GPa/s时，ML曲线呈现出一系列尖锐的发射峰，表现出振荡特性；而在较低速率下，ML曲线则呈现出宽发射峰。这种速率依赖型ML行为可能与压电效应诱导的发光激活剂激发的多循环过程有关。在解压过程中，ML行为同样表现出速率依赖性，但整体强度低于压缩过程。
3. 机制探讨结合压电去陷阱模型，研究团队对速率依赖型ML行为进行了机制探讨。在压缩过程中，由于变形诱导的极化作用产生压电场，进而引发陷阱中的电子和空穴分离并倾斜能带。随后，分离的电子被热激活至导带并与空穴复合释放出辐射能量，从而激发Mn²⁺离子发光。在快速压缩条件下，这一过程可能多次循环发生，导致ML曲线呈现振荡特性。此外，XRD和PL结果表明，高压条件下SrZn₂S₂O:Mn²⁺材料的晶格发生连续收缩且Mn²⁺离子的发光性能逐渐减弱，这可能与宿主晶格与发光离子间的相互作用增强有关。
六、总体结论
本研究成功揭示了SrZn₂S₂O:Mn²⁺材料在高压下速率依赖型力致发光特性及其内在机制。通过结合实验观察与理论模型分析发现，该材料在快速压缩条件下表现出独特的振荡ML行为可能与压电效应诱导的多循环发光过程有关。这一发现不仅丰富了我们对力致发光材料发光机制的理解而且为开发新型时间表征光电器件提供了重要参考。未来研究可进一步探索该材料在极端条件下的应用潜力及其与其他功能材料的集成效应。
七、图文概览
八、作者信息
Tingting Zhao, Hao Wang, Jiayue Jiang, Mei Li, Junlong Li, Ke Liu, Shang Peng, Bohao Zhao, Yanlong Chen, Jiao An, Yanchun Li, Sheng Jiang*, Chuanlong Lin*
通讯作者信息
Sheng Jiang*, Shanghai Synchrotron Radiation Facility, Shanghai Advanced Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201204, China
Chuanlong Lin* 林传龙, Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research, Beijing 100193, China
九、论文链接
https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.4c08244
转载自:光电材料及应用
