廈門大學解榮軍&莊逸熙AFM：基于免預激發應力發光實現應力和溫度的雙模成像

【背景介紹】

隨著科技的發展，應力傳感器使用量大大增加、應用場景愈加豐富多樣，對應力傳感器的物理尺寸、功耗和成本提出更高的要求。相對于傳統的電阻和電容式應力傳感器，由于其利用電子信號，易受到電磁干擾、布線復雜，雜散電容和熱擾動等影響。而利用應力發光光學信號實現遠程應力傳感不僅不受上述影響，同時還具備較高的空間分辨率。

應力發光材料是一類在機械作用下發射光子的智能傳感材料。基于應力發光材料制備的應力傳感器具有無需電源驅動、功耗低等優點，已獲得廣泛關注和應用。隨著智能建筑和電子皮膚等應用的興起，產業界對于智能傳感器提出了更高的要求，例如需要通過感知包括應力、溫度和濕度等多種外部刺激。盡管如此，應力發光材料幾乎僅用于對于應力的傳感。少數幾例對于溫度的傳感是實質上是利用其上轉化或下轉移熒光光譜方式實現的，因而需要借助額外的光源獲得發光，并且與應力傳感分步實現。目前為止，尚未報道過利用單種應力發光信號同時實現應力和溫度的傳感。

【成果簡介】

針對先進智能傳感器的發展需求，廈門大學解榮軍教授、莊逸熙副教授和廈門理工謝安教授、深圳大學彭登峰副教授、武漢大學涂東研究員合作報道了雙稀土離子激活的應力發光材料SrZnSO:Tb³⁺,Eu³⁺，首次實現了基于應力發光信號的應力和溫度雙模傳感和成像。該材料的應力發光光譜包括Tb³⁺: ⁵D₄ → ⁷F_J (J = 6, 5, 4和3) 的躍遷發射和Eu³⁺: ⁵D₀ → ⁷F_J (J = 1, 2, 3和4) 的躍遷發射峰，不同濃度的Tb³⁺和Eu³⁺離子摻入實現應力發光顏色從紅色調至綠色。應力發光的積分強度與力呈現很好的線性關系；更加重要的發現是，隨著溫度的增加，應力發光光譜中Tb³⁺發射相對于Eu³⁺逐漸增強，且Tb³⁺（λ = 544 nm）發射強度和Eu³⁺（λ = 625 nm）強度比值與溫度呈現特定指數關系，能夠實現對溫度的傳感。因此，基于應力發光信號的積分強度獲得應力信息和應力發光強度比(I_Tb/I_Eu)獲得溫度信息，實現了一種簡便、可靠、無電源或光源驅動的遠程應力和溫度的雙模成像。研究成果以題為“Achieving Remote Stress and Temperature Dual-Modal Imaging by Double-Lanthanide-Activated Mechanoluminescent Materials”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。論文第一作者為廈門大學材料學院博士生陳昌健。

【圖文導讀】

圖1、壓電相SrZnSO:Tb³⁺,Eu³⁺的結構和形貌

(a-c) SrZnSO:xTb³⁺,yEu³⁺的XRD 譜圖、SEM形貌、EDS元素分布圖和晶體結構圖;

(d-e) 單個SrZnSO:0.01Tb³⁺, 0.01Eu³⁺的鐵電相曲線和振幅曲線。

圖2、顏色可調的應力發光光譜

(a)不同Tb³⁺和Eu³⁺摻雜SrZnSO的應力發光光譜；

(b)Tb³⁺和Eu³⁺的躍遷能級圖；

(c)多色應力發光的相應色坐標。

圖3、基于應力發光積分強度與應力大小的線性關系實現應力傳感

(a)應力發光強度和應力大小相關系測試的裝置原理圖；

(b)包含SrZnSO:0.02Tb³⁺, 0.01Eu³⁺的復合薄膜在不同加載力下的應力發光光譜；

(c)應力發光的積分強度與力的相關性；

(d)不同轉速下的應力發光光譜。

圖4、基于應力發光強度比(I_Tb/I_Eu)與環境溫度的相關性實現溫度傳感

(a)SrZnSO:0.02Tb³⁺,0.01Eu³⁺在不同溫度下的應力發光光譜；

(b)應力發光的強度比(I_R) I_Tb/I_Eu與溫度(T)的函數關系；

(c)SrZnSO:0.02Tb³⁺,0.01Eu³⁺溫度傳感的絕對和相對靈敏度；

(d)四次溫度循環測試結果；

圖5、應力和溫度雙模成像應用

(a)基于免預激發應力發光的應力和溫度的雙模成像（傳感）原理圖；

(b)不同溫度下相機拍攝的復合薄膜應力發光照片；

(c-d) 應力發光薄膜的表面和界面微觀形貌；

(e)298K的應力發光圖像的G/R比值分布；

(f-g) 應力發光圖像G/R比值與溫度(T)的函數關系，和溫度傳感的絕對和相對靈敏度；

(h) 應力發光的雙模成像，提取應力發光信號解調獲得應力和溫度成像。

【小結】

綜上所述：作者通過Tb³⁺和Eu³⁺離子摻入壓電相SrZnSO基質中，開發了發光顏色可以從紅色逐漸調控至綠色的新型應力發光材料。更為重要的是，基于SrZnSO:Tb³⁺,Eu³⁺的應力發光光譜和強度對應力和溫度的不同響應特性，能夠從所獲得的應力發光信號中同時提取出于應力大小和環境溫度相關的信號，從而實現對應力和溫度的雙模成像。該工作報道的多功能傳感材料在結構健康診斷、人機交互以及生物力學工程方面存在潛在應用。

該課題研究得到國家自然科學基金重點項目（51832005）、面上項目（51872247、61875136、11804255、12074298）、中國科協“青年人才托舉工程”（2018QNRC001）、廈門大學青年人才創新團隊項目（20720200075）資助。

此前，課題組在應力發光材料開發和應用方面已取得一系列研究進展。主要包括：(1) 提出在混合陰離子化合物中引入稀土離子或過渡金屬離子實現可見到近紅外（470 nm-1600 nm）應力發光的材料開發策略【Nano Energy 2020, 68: 104329】；(2) 提出一種應力誘導載流子存儲（Force-induce charge carrier storage, FICS）效應，這種效應能夠將應力作用下產生的載流子存儲于應力發光材料較深的能量陷阱中，隨后在熱刺激下讀取出存儲的應力信息【Light-Sci. Appl. 2020, 9: 182】；(3) 綜述了應力發光材料和在應力傳感的應用，總結了基于應力發光材料的應力傳感器件的設計要求，并展望了應力發材料及器件的未來發展趨勢【Adv. Mater. 2021, 33: 2005925】。

文獻鏈接： Achieving Remote Stress and Temperature Dual-Modal Imaging by Double-Lanthanide-Activated Mechanoluminescent Materials. Adv. Funct. Mater. 2021, DOI: 10.1002/adfm.202101567

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