Progress in Materials Science長篇綜述：陷阱控制型應力發光材料

【引言】

應力發光是材料遭受機械刺激時產生的發光響應。許多固體材料在破裂過程中產生發光，然而，這種不可逆的破壞性應力發光限制了這些材料的實際應用。1999年，日本產業技術綜合研究所（AIST）徐超男研究組（Xu Group）基于陷阱控制型材料ZnS:Mn²⁺和SrAl₂O₄:Eu²⁺首次報道了強烈且可重復的應力發光現象，并建立了將無機/有機復合涂層用于結構應力/應變定量分析的概念和應用。在過去的二十年中，這一發現引發了對陷阱控制型應力發光材料和復合材料的濃厚研究興趣，開發出四十余種各具特色的新型材料，如具有明亮的發光強度、光譜可覆蓋紫外光到紅外光的波段、展現出多尺度的機-光敏感特性等。對這些材料的研究也深化了我們對應力發光機制的理解，使得陷阱控制型應力發光材料的合理設計成為可能。更重要的是，隨著復合材料用于結構健康診斷的“機-光敏感皮膚”、生物力學應力傳感器和機械驅動光源的突破性研究進展，應力發光的諸多潛在應用也日益成熟，加速了實用化進程。

【成果簡介】

近日，青島大學張君誠特聘教授（第一作者&共同通訊作者）與同濟大學王旭升教授、加州大學伯克利分校Gerard Marriott教授（共同通訊作者）、日本產業技術綜合研究所徐超男教授（共同通訊作者）合作在國際材料科學領域頂尖綜述期刊Progress in Materials Science（IF=23.75，5年影響因子33.19）發表了題為“Trap-controlled mechanoluminescent materials”的論文。該論文對過去二十年應力發光的研究進展進行了系統總結，重點介紹了陷阱控制型應力發光材料的設計、合成、表征、機理、優化和應用，并討論了應力發光研究的未來發展方向以及針對實際應用改進應力發光材料的具體挑戰。綜述全文3萬8千余字，分為8個大章節，56個子章節，共計67張圖片。

【圖文導讀】

圖1. 論文封面

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圖2. 應力發光分類

圖3. 應力發光發展的里程碑

圖4. 應力發光復合物涂層受激和測試示意圖

圖5. 應力發光表征裝置示意圖

(a)?壓縮測試；(b) 摩擦測試；(c) 碰撞測試；(d) 拉伸測試；(e) 超聲測試；(f) 單顆粒壓縮檢測；(g) 粉末落塔檢測。

圖6.不同機械刺激下SrAl₂O₄:Eu²⁺的應力發光響應

(a)?碰撞；(b) 摩擦；(c) 三點彎曲；(d) 壓縮；(e) 拉伸；(f) 超聲。

圖7. 壓電類陷阱控制型應力發光模型

(a) 陷阱俘獲受激載流子；(b) 壓電場誘導載流子釋出發光。

圖8. 激活劑摻雜壓電基質構建應力發光的策略示意圖

圖9. 應力發光材料的光譜調控策略

圖10. 應力發光的不同應用

圖11. 應力發光傳感器用于高速公路連接處的原位定量化應變成像

(a)?待檢測城市高速公路外觀；(b) 基礎設施原位檢測的未來影像；(c)、(d) 連接處維修前的應力發光和對應的應變圖像；(e)、(f) 連接處維修后的應力發光和對應的應變圖像。

圖12. 應力發光與多重發光的耦合及其防偽應用

(a)?NaNbO₃壓電基質中激活劑Pr³⁺和Er³⁺的雙摻雜；(b) 基于NaNbO₃:Pr³⁺,Er³⁺顆粒與熱塑性聚氨酯彈性體的復合薄膜示意圖；(c) 復合薄膜的高度可拉伸性和疏水性；磁致伸縮與應力發光的耦合示意圖；(d) 復合薄膜對熱、力、光刺激響應的雙壽命、彩色發光：I. 熱/力激勵的紅色延時發光；II. 近紅外光激發的綠色上轉換熒光；III. 紫外光激發的顏色可調熒光和紅色延時發光。

未來挑戰：建立應力發光性能測試的國際標準；廣泛開展實驗科學家與計算科學家的合作，明晰應力發光機制，指導高性能材料的設計和開發；推進應力發光在不同領域的實用化進程。

論文鏈接：Trap-controlled mechanoluminescent materials. Progress in Materials Science 103 (2019) 678–742. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2019.02.001

本文系青島大學張君誠課題組供稿。

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