Progress in Materials Science长篇综述：陷阱控制型应力发光材料

【引言】

应力发光是材料遭受机械刺激时产生的发光响应。许多固体材料在破裂过程中产生发光，然而，这种不可逆的破坏性应力发光限制了这些材料的实际应用。1999年，日本产业技术综合研究所（AIST）徐超男研究组（Xu Group）基于陷阱控制型材料ZnS:Mn²⁺和SrAl₂O₄:Eu²⁺首次报道了强烈且可重复的应力发光现象，并建立了将无机/有机复合涂层用于结构应力/应变定量分析的概念和应用。在过去的二十年中，这一发现引发了对陷阱控制型应力发光材料和复合材料的浓厚研究兴趣，开发出四十余种各具特色的新型材料，如具有明亮的发光强度、光谱可覆盖紫外光到红外光的波段、展现出多尺度的机-光敏感特性等。对这些材料的研究也深化了我们对应力发光机制的理解，使得陷阱控制型应力发光材料的合理设计成为可能。更重要的是，随着复合材料用于结构健康诊断的“机-光敏感皮肤”、生物力学应力传感器和机械驱动光源的突破性研究进展，应力发光的诸多潜在应用也日益成熟，加速了实用化进程。

【成果简介】

近日，青岛大学张君诚特聘教授（第一作者&共同通讯作者）与同济大学王旭升教授、加州大学伯克利分校Gerard Marriott教授（共同通讯作者）、日本产业技术综合研究所徐超男教授（共同通讯作者）合作在国际材料科学领域顶尖综述期刊Progress in Materials Science（IF=23.75，5年影响因子33.19）发表了题为“Trap-controlled mechanoluminescent materials”的论文。该论文对过去二十年应力发光的研究进展进行了系统总结，重点介绍了陷阱控制型应力发光材料的设计、合成、表征、机理、优化和应用，并讨论了应力发光研究的未来发展方向以及针对实际应用改进应力发光材料的具体挑战。综述全文3万8千余字，分为8个大章节，56个子章节，共计67张图片。

【图文导读】

图1. 论文封面

图2. 应力发光分类

图3. 应力发光发展的里程碑

图4. 应力发光复合物涂层受激和测试示意图

图5. 应力发光表征装置示意图

(a) 压缩测试；(b) 摩擦测试；(c) 碰撞测试；(d) 拉伸测试；(e) 超声测试；(f) 单颗粒压缩检测；(g) 粉末落塔检测。

图6.不同机械刺激下SrAl₂O₄:Eu²⁺的应力发光响应

(a) 碰撞；(b) 摩擦；(c) 三点弯曲；(d) 压缩；(e) 拉伸；(f) 超声。

图7. 压电类陷阱控制型应力发光模型

(a) 陷阱俘获受激载流子；(b) 压电场诱导载流子释出发光。

图8. 激活剂掺杂压电基质构建应力发光的策略示意图

图9. 应力发光材料的光谱调控策略

图10. 应力发光的不同应用

图11. 应力发光传感器用于高速公路连接处的原位定量化应变成像

(a) 待检测城市高速公路外观；(b) 基础设施原位检测的未来影像；(c)、(d) 连接处维修前的应力发光和对应的应变图像；(e)、(f) 连接处维修后的应力发光和对应的应变图像。

图12. 应力发光与多重发光的耦合及其防伪应用

(a) NaNbO₃压电基质中激活剂Pr³⁺和Er³⁺的双掺杂；(b) 基于NaNbO₃:Pr³⁺,Er³⁺颗粒与热塑性聚氨酯弹性体的复合薄膜示意图；(c) 复合薄膜的高度可拉伸性和疏水性；磁致伸缩与应力发光的耦合示意图；(d) 复合薄膜对热、力、光刺激响应的双寿命、彩色发光：I. 热/力激励的红色延时发光；II. 近红外光激发的绿色上转换荧光；III. 紫外光激发的颜色可调荧光和红色延时发光。

未来挑战：建立应力发光性能测试的国际标准；广泛开展实验科学家与计算科学家的合作，明晰应力发光机制，指导高性能材料的设计和开发；推进应力发光在不同领域的实用化进程。

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

本文系青岛大学张君诚课题组供稿。

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