新型力致发光材料的探索研究

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力致发光材料是一种能将力转换成光的能量转换材料,在受到机械刺激(如压力,冲击,摩擦)作用时,该材料会以光的形式对外释放能量。但是,目前力致发光材料种类有限,并且发光仅位于可见光波段,严重限制了其在其他领域的应用。若能将力致发光波段拓展到近红外区,便可借助近红外光的高穿透性,用于生物体内应力探测。因此,本工作从探索新型力致发光基质入手,开发了一系列可见、近红外力致发光材料,并优化其力致发光性能,主要的研究成果如下:1发现了一系列可见光力致发光材料。(1)发现了余辉材料MGa2O4:Cr3+(M=Zn、Mg)具有力致发光。MgGa2O4:Cr3+和ZnGa2O4:Cr3+的力致发光峰都位于710 nm附近。选取ZnGa2O4:Cr3+作为研究对象,探索了增强样品的力致发光的途径,发现了控制Ge的取代量可以使样品余辉和力致发光性能同时得到改善。热释光测试表明Ge的替代增加了样品中深缺陷浓度,从而优化了余辉和力致发光性能。(2)发现Mn2+掺杂的BaZnOS在压力和摩擦力下具有明显的弹性力致发光现象。样品BaZnOS:0.5%Mn2+在摩擦、压力以及295 nm激发下的发光谱峰位分别位于586 nm、610 nm和634 nm。同时,BaZnOS:0.5%Mn2+力致发光强度与负载具有良好的线性关系。因此,我们认为BaZnOS:0.5%Mn2+作为一种应力传感材料不仅能记录应力的分布及大小,还能分辨应力类型。(3)探究了其他稀土离子包括Pr3+、Sm3+、Eu3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+在基质CaZnOS中的力致发光特性,发现这一系列样品都具有高亮的力致发光。得益于稀土离子丰富的能级结构,稀土离子和CaZnOS的组合可以实现蓝光、绿光、黄光、红光波段的力致发光输出。2发现了一系列近红外力致发光材料CaZnOS:RE3+(RE=Nd,Yb,Tm)。(1)Ca ZnOS:Nd3+的力致发光峰位于910、1094、1390 nm,这是首例同时覆盖生物组织第一,第二透过窗口的力致发光材料。同时,CaZnOS:Nd3+力致发光效率高,发光阈值低,发光具有可重复性。值得注意的是,组织透过性测试表明,910 nm的力致发光峰可穿透22 mm的生物组织(如猪肉)。最后,为了了解样品在生物力作用下的发光情况,我们测试了块状CaZnOS:Nd3+样品在牙齿咬合力作用下的发光情况,发现即使口腔闭合时,依旧能检测到近红外力致发光信号。因此,我们认为生物相容性好的CaZnOS:Nd3+可作为一种超灵敏生物应力探针并用于体内应力分布的探测。(2)Ca ZnOS:Tm3+的力致发光峰位于785 nm和814 nm,CaZn OS:Yb3+的发光峰位于980 nm。力致发光谱与光致发光谱一致,表明两者的发光来源一致。3发现CaZnOS:Er3+具有可见到近红外的超宽力致发光特性,发光峰分别位于550、675、855、978和1540 nm,力致发光整体呈现绿色。同时发现助熔剂Li2CO3的添加可以改善样品的结晶性,可将力致发光性能提高三倍之多。至此,CaZnOS:RE3+实现了单基质全光谱的力致发光输出。
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