厦门大学解荣军&庄逸熙AFM：基于免预激发应力发光实现应力和温度的双模成像

【背景介绍】

随着滚球体育 的发展，应力传感器使用量大大增加、应用场景愈加丰富多样，对应力传感器的物理尺寸、功耗和成本提出更高的要求。相对于传统的电阻和电容式应力传感器，由于其利用电子信号，易受到电磁干扰、布线复杂，杂散电容和热扰动等影响。而利用应力发光光学信号实现远程应力传感不仅不受上述影响，同时还具备较高的空间分辨率。

应力发光材料是一类在机械作用下发射光子的智能传感材料。基于应力发光材料制备的应力传感器具有无需电源驱动、功耗低等优点，已获得广泛关注和应用。随着智能建筑和电子皮肤等应用的兴起，产业界对于智能传感器提出了更高的要求，例如需要通过感知包括应力、温度和湿度等多种外部刺激。尽管如此，应力发光材料几乎仅用于对于应力的传感。少数几例对于温度的传感是实质上是利用其上转化或下转移荧光光谱方式实现的，因而需要借助额外的光源获得发光，并且与应力传感分步实现。目前为止，尚未报道过利用单种应力发光信号同时实现应力和温度的传感。

【成果简介】

针对先进智能传感器的发展需求，厦门大学解荣军教授、庄逸熙副教授和厦门理工谢安教授、深圳大学彭登峰副教授、武汉大学涂东研究员合作报道了双稀土离子激活的应力发光材料SrZnSO:Tb³⁺,Eu³⁺，首次实现了基于应力发光信号的应力和温度双模传感和成像。该材料的应力发光光谱包括Tb³⁺:⁵D₄→⁷F_J(J = 6, 5, 4和3) 的跃迁发射和Eu³⁺:⁵D₀→⁷F_J(J = 1, 2, 3和4) 的跃迁发射峰，不同浓度的Tb³⁺和Eu³⁺离子掺入实现应力发光颜色从红色调至绿色。应力发光的积分强度与力呈现很好的线性关系；更加重要的发现是，随着温度的增加，应力发光光谱中Tb³⁺发射相对于Eu³⁺逐渐增强，且Tb³⁺（λ = 544 nm）发射强度和Eu³⁺（λ = 625 nm）强度比值与温度呈现特定指数关系，能够实现对温度的传感。因此，基于应力发光信号的积分强度获得应力信息和应力发光强度比(I_Tb/I_Eu)获得温度信息，实现了一种简便、可靠、无电源或光源驱动的远程应力和温度的双模成像。研究成果以题为“Achieving Remote Stress and Temperature Dual-Modal Imaging by Double-Lanthanide-Activated Mechanoluminescent Materials”发布在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。论文第一作者为厦门大学材料学院博士生陈昌健。

【图文导读】

图1、压电相SrZnSO:Tb³⁺,Eu³⁺的结构和形貌

(a-c) SrZnSO:xTb³⁺,yEu³⁺的XRD 谱图、SEM形貌、EDS元素分布图和晶体结构图;

(d-e) 单个SrZnSO:0.01Tb³⁺, 0.01Eu³⁺的铁电相曲线和振幅曲线。

图2、颜色可调的应力发光光谱

(a)不同Tb³⁺和Eu³⁺掺杂SrZnSO的应力发光光谱；

(b)Tb³⁺和Eu³⁺的跃迁能级图；

(c)多色应力发光的相应色坐标。

图3、基于应力发光积分强度与应力大小的线性关系实现应力传感

(a)应力发光强度和应力大小相关系测试的装置原理图；

(b)包含SrZnSO:0.02Tb³⁺, 0.01Eu³⁺的复合薄膜在不同加载力下的应力发光光谱；

(c)应力发光的积分强度与力的相关性；

(d)不同转速下的应力发光光谱。

图4、基于应力发光强度比(I_Tb/I_Eu)与环境温度的相关性实现温度传感

(a)SrZnSO:0.02Tb³⁺,0.01Eu³⁺在不同温度下的应力发光光谱；

(b)应力发光的强度比(I_R) I_Tb/I_Eu与温度(T)的函数关系；

(c)SrZnSO:0.02Tb³⁺,0.01Eu³⁺温度传感的绝对和相对灵敏度；

(d)四次温度循环测试结果；

图5、应力和温度双模成像应用

(a)基于免预激发应力发光的应力和温度的双模成像（传感）原理图；

(b)不同温度下相机拍摄的复合薄膜应力发光照片；

(c-d) 应力发光薄膜的表面和界面微观形貌；

(e)298K的应力发光图像的G/R比值分布；

(f-g) 应力发光图像G/R比值与温度(T)的函数关系，和温度传感的绝对和相对灵敏度；

(h) 应力发光的双模成像，提取应力发光信号解调获得应力和温度成像。

【小结】

综上所述：作者通过Tb³⁺和Eu³⁺离子掺入压电相SrZnSO基质中，开发了发光颜色可以从红色逐渐调控至绿色的新型应力发光材料。更为重要的是，基于SrZnSO:Tb³⁺,Eu³⁺的应力发光光谱和强度对应力和温度的不同响应特性，能够从所获得的应力发光信号中同时提取出于应力大小和环境温度相关的信号，从而实现对应力和温度的双模成像。该工作报道的多功能传感材料在结构健康诊断、人机交互以及生物力学工程方面存在潜在应用。

该课题研究得到国家自然科学基金重点项目（51832005）、面上项目（51872247、61875136、11804255、12074298）、中国科协“青年人才托举工程”（2018QNRC001）、厦门大学青年人才创新团队项目（20720200075）资助。

此前，课题组在应力发光材料开发和应用方面已取得一系列研究进展。主要包括：(1) 提出在混合阴离子化合物中引入稀土离子或过渡金属离子实现可见到近红外（470 nm-1600 nm）应力发光的材料开发策略【Nano Energy2020, 68: 104329】；(2) 提出一种应力诱导载流子存储（Force-induce charge carrier storage, FICS）效应，这种效应能够将应力作用下产生的载流子存储于应力发光材料较深的能量陷阱中，随后在热刺激下读取出存储的应力信息【Light-Sci. Appl.2020, 9: 182】；(3) 综述了应力发光材料和在应力传感的应用，总结了基于应力发光材料的应力传感器件的设计要求，并展望了应力发材料及器件的未来发展趋势【Adv. Mater.2021, 33: 2005925】。

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

本文由作者投稿。