Mekanoluminescens (ML) är en typ av luminescens som induceras av någon mekanisk verkan på ett fast ämne, leder till en rad tillämpningar inom materialforskning, fotonik och optik. Till exempel, den mekaniska verkan kan frigöra energi som tidigare lagrats i kristallgittret av fosfor via fångade laddningsbärare. Dock, metoden har gränser vid registrering av ML-utsläpp under en tryckinducerad händelse. I en ny studie, Robin R. Petit och ett forskarteam vid LumiLab, Institutionen för fasta tillståndsvetenskaper vid universitetet i Gent-Belgien tog fram en ny teknik för att lägga till en minnesfunktion till tryckkänsliga fosforer. Med hjälp av metoden, forskarna fick en optisk avläsning av platsen och intensiteten av en tryckhändelse tre dagar (72 timmar) efter händelsen.

Teamet noterade resultatet med Europium-dopad bariumkiseloxinitrid (BaSiO ₂ N ₂ :Eu ²⁺ ) fosfor, som innehöll en bred fälldjupsfördelning eller djup för defektfördelning – väsentligt för den unika minnesfunktionen. De exciterade elektronerna av fosfor fyllde "fällorna" (eller defekterna) i kristallgittret, som kunde tömmas genom att applicera vikt för att avge ljus. Forskargruppen slog samman optiskt stimulerad luminescens (OSL), termoluminescens (TL) och ML mätningar för att noggrant analysera ljusets inverkan, värme och tryck på fällans djupfördelning. Baserat på minneseffekten, materialen kom ihåg platsen där trycket hade uppstått, hjälpa forskare att utveckla nya tryckavkännande applikationer och studera laddningsbärarövergångar inom energilagringsfosfor. Verket är nu publicerat på Ljus:Vetenskap och tillämpningar .

När specifika material utsätts för mekanisk påverkan, ljusemission kan observeras som mekanoluminescens (ML). Processen kan induceras genom olika typer av mekanisk påfrestning inklusive friktion, fraktur, böjning, påverkan av en vikt och till och med ultraljud, kristallisation och vind. Fenomenet kan användas för att identifiera stressfördelning, mikrosprickförökning och strukturella skador i fasta ämnen, samtidigt som det tillåter en mängd olika applikationer i skärmar, för att visualisera ultraljud och till och med kartlägga personlig handstil. Dock, tekniken begränsas av utbudet av emissionsfärger, begränsning av realtidsmätningar och begränsad signalsynlighet.

Använder Eu ²⁺ dopad BaSiO ₂ N ₂ fosfor som ett exempel, forskarna exciterade först fosforn med ultraviolett (UV) eller blått ljus för att få den till ett exciterat tillstånd. När jonen gick tillbaka till grundtillståndet, de observerade en blågrön emission av färg. Forskare hade tidigare visat att termiskt assisterad avfångning (borttagning av elektroner från en fälla) tillät "glöd-i-mörkret" fosfor för säkerhetsskyltar eller bioavbildningsfunktioner. Att applicera tryck i uppställningen inducerade på liknande sätt avfångning för att termisk och tryckinducerad avfångning skulle bli konkurrerande processer. Forskarna undvek närvaron av bakgrundsemission eller efterglöd i installationen för att öka synligheten för signalen. I det här arbetet, Petit et al. introducerade egenskapen tryckminne (P-MEM), vilket gjorde det möjligt för fosforpartiklar som utsattes för tryck att komma ihåg processen under infraröd strålning (IR) mer än 72 timmar efter tryckpåläggning.

Teamet undersökte de underliggande arbetsprinciperna för egenskapen P-MEM (tryckminne) med hjälp av ett relativt stort intervall av fälldjup inom fosforn där olika fällor svarade olika på specifika stimuli (tryck, värme, ljus). När de mekaniskt inducerade avfångning rekombinerade några av laddningsbärarna för att ge omedelbar ljusemission medan andra omfördelades över relativt grunda fällor eller nästan permanent lagrade i djupa fällor. För att släppa ut laddningarna i djupfällor använde de IR-strålning. Verket öppnar nya vägar för tryckavkänning och underlättar studiet av energilagringsfosforer genom att undersöka subtila interaktioner mellan termiska, mekanisk och optisk avfångning.

För att testa reproducerbarheten av ML-testerna, forskarna utförde först mekanisk stimulering genom att oförstörande dra en sfärisk stav över ytan av fosforn. De garanterade reproducerbarheten av mätningarna genom att återställa den initiala ML-intensiteten efter varje UV-excitationssteg. Kapaciteten hos aktiva lagringsfällor förblev oförändrad på grund av mekanisk stimulering, medan släpprocessen förblev oförstörande. För att uppnå P-MEM-egenskapen, teamet kombinerade mekaniska och optiska stimulanser i labbet, de använde tryck för att flytta elektronerna och använde optiska medel för att läsa ut resultaten.

Först, de exponerade kristallen för UV-ljus följt av ML-stimulering genom att dra en stav fram och tillbaka flera gånger, bestrålade sedan provet med hjälp av IR-lasern. Under IR-stimulering, emissionsspektrumet härrörde från EU ²⁺ självlysande centrum i BaSiO ₂ N ₂ . Teamet undersökte sambandet mellan luminescensintensiteten och storleken på belastningen i experimentet; som ökade linjärt med den applicerade belastningen. Genom att applicera högre belastningar för mekanisk stimulering tömdes fler fällor i kristallen för att frigöra fler laddningsbärare. Några av de frigjorda elektronerna rekombinerade omedelbart med joniserade europiumjoner för att ge den gemensamma ML-signalen.

Efter att ha testat inställningen noggrant, Petit et al. observerade ursprunget till P-MEM med hjälp av termoluminescens (TL) för att avslöja ockupationen av fällor i fosfor. För detta, de delade in TL-glödkurvorna i tre regioner som innehöll en grund (25 grader C till 45 grader C), mellanliggande (45 grader C till 80 grader C) och djupfälla (> 80 grader). Resultaten antydde att P-MEM-egenskapen var baserad på en omblandningshändelse för att frigöra laddningsbärare som ockuperade djupa fällnivåer.

Det var lika viktigt för forskargruppen att visualisera P-MEM-signalen som en funktion av tiden. De uppnådde detta genom att utföra ett dedikerat experiment för att testa påverkan av IR-bestrålning och observerade två effekter i förhållande till (1) tömning av djupa fällnivåer, följt av (2) efterföljande sönderfall som härrör från den gradvisa utarmningen av grunda och mellanliggande fällnivåer. På grund av stabiliteten hos djupfällor, efter att ha optimerat inställningen, teamet observerade P-MEM-signalen med tillräcklig intensitet - tre dagar efter appliceringen av tryck och IR-bestrålning assisterad avläsning.

På det här sättet, Robin R. Petit och kollegor beskrev en specifik interaktion mellan mekanisk och optisk avfångning i BaSiO ₂ N ₂ :Eu ²⁺ , vilket ledde till den unika P-MEM-egenskapen som observerades i studien. De återvann en tryckinducerad ML-signal efter IR-bestrålning av fosforn, baserat på de detaljerade interaktionerna. När de utförde optisk avfångning med IR-bestrålning, de djupare fällorna tömdes snabbt för att skapa en ökad signalstyrka på platser där tryck tidigare uppstått, även 72 timmar mellan tryckstimuli och IR-avläsning. De djupa fällorna spelade en betydande roll för att få fram P-MEM-fenomenet och kan förlängas till ännu längre timmar.

Verket öppnar en ny väg för informationslagring och hämtning, medan mekanisk stimulering ger ett unikt sätt att skriva information. Det beskrivna P-MEM har stor potential inom strukturella hälsoövervakningsapplikationer och inom biomedicin. De omfattande resultaten indikerar att mycket återstår att förstå om hur självlysande fenomen fungerar i förhållande till avfångnings- och återfångningsvägar, motiverar ytterligare djupgående forskning.

© 2020 Science X Network