應(yīng)力發(fā)光材料是一類在機械刺激下可實現(xiàn)機械能-光子轉(zhuǎn)換的傳感材料。近二十多年來，隨著人們對應(yīng)力發(fā)光的深入認(rèn)識以及對應(yīng)力發(fā)光性能提升方法的逐步掌控，應(yīng)力發(fā)光材料得到了快速發(fā)展，并在防偽加密、應(yīng)力傳感、疾病監(jiān)測、照明顯示、應(yīng)力記錄等領(lǐng)域展示出巨大的應(yīng)用潛力。

近日，中南大學(xué)蔡格梅教授團隊在《發(fā)光學(xué)報》（EI、Scopus、中文核心期刊）發(fā)表了題為“無機應(yīng)力發(fā)光材料發(fā)光特性、發(fā)光機理及應(yīng)用研究進展”的綜述文章。

該綜述總結(jié)了應(yīng)力發(fā)光材料的發(fā)展與研究現(xiàn)狀，對應(yīng)力發(fā)光機理進行了系統(tǒng)的梳理，分享了當(dāng)下應(yīng)力發(fā)光材料熱點和新穎的應(yīng)用領(lǐng)域，討論了未來應(yīng)力發(fā)光材料研究亟待解決的問題以及需要面對的挑戰(zhàn)，以期推動應(yīng)力發(fā)光材料的快速發(fā)展。

圖1：應(yīng)力發(fā)光材料的發(fā)展歷史

引言

應(yīng)力發(fā)光材料在機械刺激下具有將機械能定量地轉(zhuǎn)換為光發(fā)射的特性，其中機械刺激包含粉碎、摩擦、 沖擊、壓縮、拉伸、彎曲、扭曲、超聲波等。1999年，Xu課題組制備出的SrAl ₂O ₄: Eu ²⁺和ZnS: Mn ²⁺彈性應(yīng)力發(fā)光材料在應(yīng)力傳感領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景，并推動了該類材料的快速發(fā)展。當(dāng)前，通過調(diào)控基質(zhì)成分和晶體結(jié)構(gòu)、改變摻雜離子及其含量、離子共混和異質(zhì)結(jié)等方式，有效地提高了應(yīng)力發(fā)光的強度、靈敏度、熱穩(wěn)定性，降低了應(yīng)力發(fā)光所需的閾值，并實現(xiàn)了應(yīng)力發(fā)光由可見光到近紅外光的全覆蓋。隨著應(yīng)力發(fā)光材料發(fā)光特性的提升，其應(yīng)用從最開始簡單的應(yīng)力傳感擴展到了結(jié)構(gòu)探傷、防偽加密、柔性設(shè)備、生物成像、智能顯示、應(yīng)力記錄等眾多領(lǐng)域。雖然應(yīng)力發(fā)光材料的發(fā)展取得了長足的進步，但其依舊面臨著諸多困難與挑戰(zhàn)。期待對前人工作和研究經(jīng)驗的系統(tǒng)總結(jié)能為未來應(yīng)力發(fā)光材料的開發(fā)提供重要的指導(dǎo)。

應(yīng)力發(fā)光的分類

應(yīng)力發(fā)光常基于機械刺激和可恢復(fù)性進行分類，如圖2所示。

圖 2：應(yīng)力發(fā)光分類

（1）基于不同機械刺激分類

破壞應(yīng)力發(fā)光是在材料發(fā)生原子和化學(xué)鍵斷裂過程中產(chǎn)生的，通常伴隨著等離子體放電。相較之下，變形應(yīng)力發(fā)光并未產(chǎn)生材料的斷裂或破壞。以塑性變形為界，可以將變形應(yīng)力發(fā)光細(xì)分為彈性應(yīng)力發(fā)光和塑性應(yīng)力發(fā)光。摩擦應(yīng)力發(fā)光是在應(yīng)力發(fā)光顆粒與其他材料之間的摩擦接觸中產(chǎn)生的，過程中通常會產(chǎn)生摩擦電場以及化學(xué)反應(yīng)。

（2）基于可恢復(fù)性分類

可恢復(fù)應(yīng)力發(fā)光即材料在不破壞其結(jié)構(gòu)的循環(huán)應(yīng)力刺激下，其可產(chǎn)生重復(fù)的應(yīng)力發(fā)光響應(yīng)。彈性應(yīng)力發(fā)光以及摩擦應(yīng)力發(fā)光由于具有較好的可重復(fù)性，屬于可恢復(fù)應(yīng)力發(fā)光；而破壞應(yīng)力發(fā)光和塑性應(yīng)力發(fā)光由于發(fā)光過程中材料發(fā)生了損傷，表現(xiàn)出較差的可重復(fù)性，屬于不可恢復(fù)應(yīng)力發(fā)光。

應(yīng)力發(fā)光材料的發(fā)光特性

應(yīng)力發(fā)光材料的發(fā)光特性主要包括：發(fā)光強度、發(fā)光波長、發(fā)光持續(xù)時間、可恢復(fù)性以及靈敏度等，近二十年來國內(nèi)外學(xué)者基于不同的基質(zhì)、摻雜離子、制備方法、改性手段等對發(fā)光特性進行了優(yōu)化。

應(yīng)力發(fā)光機理

隨著研究者對應(yīng)力發(fā)光材料探索的不斷深入，應(yīng)力發(fā)光現(xiàn)象的機理解釋逐步完善，但由于不能通過直接的檢測手段加以驗證，因此對相同材料的機理分析存在不同的看法。下面基于壓電與非壓電材料的劃分，就當(dāng)下普遍認(rèn)可及新提出的幾種可恢復(fù)應(yīng)力發(fā)光機理進行介紹。

（1）壓電材料應(yīng)力發(fā)光機理

當(dāng)壓電材料受到壓力作用時會在內(nèi)部產(chǎn)生一個電場，這是由于壓電材料非中心對稱結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的特性。研究者普遍認(rèn)為材料具有壓電特性是實現(xiàn)應(yīng)力發(fā)光的重要因素，因此在設(shè)計應(yīng)力發(fā)光材料時常常是基于壓電材料。基于壓電場與應(yīng)力發(fā)光之間的關(guān)系構(gòu)建了兩種模型，分別為壓電誘導(dǎo)電致發(fā)光模型以及壓電誘導(dǎo)載流子脫陷模型，即陷阱中的載流子在壓電場的作用下將能量傳遞給發(fā)光中心產(chǎn)生發(fā)光。

（2）非壓電材料應(yīng)力發(fā)光機理

區(qū)別于壓電材料，非壓電材料不具有本征的壓電特性。近年來，性能優(yōu)異的具有中心對稱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力發(fā)光材料陸續(xù)涌現(xiàn)。當(dāng)前主要通過局部壓電效應(yīng)以及摩擦電場對具有中心對稱結(jié)構(gòu)的材料應(yīng)力發(fā)光機理進行解釋，但隨著具有特殊應(yīng)力發(fā)光特性材料的涌現(xiàn)，現(xiàn)有的機理無法對其應(yīng)力發(fā)光過程進行解釋，因此新的應(yīng)力發(fā)光機理也逐漸被提出。

應(yīng)力發(fā)光材料的應(yīng)用

應(yīng)力發(fā)光材料由于能在多種形式的機械應(yīng)力作用下發(fā)光，如研磨、刮擦、按壓、水流、氣流、超聲等，使得其應(yīng)用場景十分廣泛，在防偽加密、柔性設(shè)備、應(yīng)力傳感、生物醫(yī)療、成像顯示、應(yīng)力記錄等領(lǐng)域均體現(xiàn)出極大的應(yīng)用價值。

（1）防偽加密

隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展，開發(fā)更加先進的防偽加密技術(shù)具有重要意義。應(yīng)力發(fā)光材料獨特的現(xiàn)象給予了其防偽加密的可能，將其與光致發(fā)光、余輝等現(xiàn)象耦合能進一步提升其防偽能力。

圖3：應(yīng)力發(fā)光材料在防偽加密領(lǐng)域的潛在應(yīng)用

（2）應(yīng)力傳感

傳統(tǒng)基于電阻、電容的傳感器通常體積較大，且使用場景比較受限。相較之下，基于應(yīng)力發(fā)光的傳感器往往小巧輕便，具有高度的靈活性和適應(yīng)性。應(yīng)力發(fā)光的強度在彈性范圍內(nèi)通常與所受應(yīng)力呈線性比例關(guān)系，這使得傳感器可以定量記錄應(yīng)力，此外還能通過顏色變化半定量傳感。

圖4：應(yīng)力發(fā)光材料在應(yīng)力傳感領(lǐng)域的潛在應(yīng)用

（3）疾病監(jiān)測

當(dāng)今社會人們越來越重視自身健康，醫(yī)學(xué)界也在著力開發(fā)更先進的健康診斷手段。部分應(yīng)力發(fā)光材料由于能近紅外發(fā)光或者能與彈性材料復(fù)合，可以實現(xiàn)體內(nèi)應(yīng)力探測，達到監(jiān)測疾病的目的。

圖5：應(yīng)力發(fā)光材料在疾病監(jiān)測領(lǐng)域的潛在應(yīng)用

（4）照明顯示

應(yīng)力發(fā)光材料能夠在按壓、水流、氣流、摩擦等機械刺激下釋放能量并發(fā)光，是一種相對特殊的發(fā)光形式，同時也為停電、少電等情況下的照明顯示提供了解決方案。

圖6：應(yīng)力發(fā)光材料在照明顯示領(lǐng)域的潛在應(yīng)用

（5）應(yīng)力記錄

大部分基于應(yīng)力發(fā)光材料的傳感研究體現(xiàn)了其遠(yuǎn)程、實時、大面積的優(yōu)勢，而部分應(yīng)力發(fā)光材料還具備“應(yīng)力記錄”的特性，能應(yīng)用于車禍等突發(fā)場合以及封閉的機械結(jié)構(gòu)。

圖7：應(yīng)力發(fā)光材料在應(yīng)力記錄領(lǐng)域的潛在應(yīng)用

結(jié)論與展望

過去二十多年，應(yīng)力發(fā)光材料的快速發(fā)展加速了人們對其的認(rèn)識，有效地建立了發(fā)光特性與機械刺激之間的關(guān)系，基于應(yīng)力發(fā)光材料設(shè)計的各種器件展示了其在應(yīng)用領(lǐng)域的巨大價值。雖然應(yīng)力發(fā)光的發(fā)展已經(jīng)向前邁出了一大步，但當(dāng)下應(yīng)力發(fā)光的研究依然存在諸多問題，未來也同樣面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。

一是當(dāng)前機理的完善以及新機理的建立。當(dāng)前普遍基于陷阱脫困模型去解釋應(yīng)力發(fā)光現(xiàn)象，但應(yīng)力發(fā)光特性與陷阱之間并未建立起一種關(guān)系。自恢復(fù)應(yīng)力發(fā)光是重點研究方向，近兩年與陷阱無關(guān)的自恢復(fù)應(yīng)力發(fā)光材料不斷涌現(xiàn)，促使接觸帶電誘導(dǎo)應(yīng)力發(fā)光、摩擦誘導(dǎo)電子轟擊應(yīng)力發(fā)光等新機理被相繼提出。然而，這些機理基于較多的假設(shè)與猜想，且不具有普適性。因此，需要研究者進一步完善并建立具有廣泛普適性和明確物理解釋的令人信服的機制模型，這有助于為高性能應(yīng)力發(fā)光材料的研究提供設(shè)計路線。

二是現(xiàn)有應(yīng)力發(fā)光材料發(fā)光性能的提升以及新材料的探索。雖然近些年新應(yīng)力發(fā)光材料不斷涌現(xiàn)，但還遠(yuǎn)不能滿足不同實際應(yīng)用的需求。對于新應(yīng)力發(fā)光材料的探索，可以通過相圖、理論計算與實驗數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式來尋找新材料和構(gòu)建基質(zhì)材料與發(fā)光中心的篩選機制和匹配模型，并聯(lián)系應(yīng)力發(fā)光機理對新材料應(yīng)力發(fā)光性能進行預(yù)測。這將實現(xiàn)對應(yīng)力發(fā)光材料的快速篩選，為尋找具有優(yōu)異性能的應(yīng)力發(fā)光材料提供幫助。

三是推動應(yīng)力發(fā)光材料的實際應(yīng)用以及應(yīng)用的多樣性。目前大部分應(yīng)用仍處于理想的實驗條件，并未真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，建立統(tǒng)一的應(yīng)力發(fā)光強度與效率的評估方法與標(biāo)準(zhǔn)是關(guān)鍵；近紅外應(yīng)力發(fā)光材料暫未實現(xiàn)活體體內(nèi)生物應(yīng)力成像；應(yīng)力發(fā)光材料在超高壓環(huán)境下傳感的可行性還需研究。未來應(yīng)用還可更多樣化，例如與測溫設(shè)備、氣體檢測設(shè)備等集成，在同一設(shè)備上實現(xiàn)多種功能；近紅外應(yīng)力發(fā)光材料還可拓展到生物應(yīng)力成像以外的領(lǐng)域；拓展應(yīng)力載體復(fù)合材料的種類。

文章來源：中國光學(xué)