应力记录的新方式:应力诱导载流子存储

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近日,厦门大学、武汉大学、中国计量大学、中国科学院城市环境研究所、中国科学院北京纳米能源与系统研究所合作提出了一种应力诱导载流子存储(Force-induced 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。相关研究成果以“ Force-induced charge carrier storage: A new route for stress recording ”为题发表在Light: Science & Applications。

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01导读

应力传感是电子签名系统、结构健康诊断、生物医学工程、人工智能等应用的重要支撑。其中,基于应力发光材料的应力传感技术具有分布传感和远程响应的显著优势,有望用于发展下一代触觉传感器和应力记录装置。一般认为,应力发光材料在受到机械刺激的瞬间发射出光子,需要在线使用光电探测器对于光子进行实时探测,这使得应力发光材料的应用被限制于实时的应力传感。

近日,厦门大学、武汉大学、中国计量大学、中国科学院城市环境研究所、中国科学院北京纳米能源与系统研究所合作提出了一种应力诱导载流子存储(Force-induced 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。

研究团队基于FICS效应构建了一种新的应力记录装置,演示了在电子签名系统、落点监测和车辆碰撞监测等方面的应用,显示出分布传感、长期存储和无需供电的突出优势。该研究不仅为应力发光材料在非实时应力传感领域的应用带来了新的突破,同时也为发展新型的机械能存储-转换系统提供了新的思路。

02研究背景

应力记录包含应力作用的探测和记录过程。传统的应力记录装置一般由探测单元和存储单元组成,在记录过程中需要对于探测单元和存储单元持续提供电源。供电式应力记录装置的结构较为复杂,在长时间工作中产生较大的能耗。研究人员一直在寻找简单高效的、无需供电的应力记录方式和可靠的应力存储介质。

2009年,日本产业技术综合研究所的徐超男研究员等人率先采用应力发光材料与感光材料相结合的思路设计了一种用于无供电应力记录的双层薄膜结构。上层应力发光材料受到应力作用时发射出光子,下层感光材料吸收光子后产生光学性能(例如吸光度)的变化,光学性能的改变量与累计的应力作用呈线性关系【Jpn. J. Appl. Phys. 48, 04C150 (2009)】。

2019年,比利时根特大学的Smet等人发表了利用应力发光材料的深陷阱实现应力记录的工作。他们发现在紫外光照射后的应力发光薄膜表面施加一定应力后,载流子将从较浅的陷阱被转移至较深的陷阱中,从而能够在室温下长期存储【Light-Sci. Appl. 8, 124 (2019)】。

上述两个工作都是基于应力发光材料实现了长时间、无需供电的应力记录,开拓了应力发光材料在非实时应力传感的应用领域。

一般认为,应力发光是应力作用下产生的瞬态发光,应力作用结束之后发光即停止。这是由于应力发光研究中关注的是浅陷阱,预先光照激发或者应力激发进入浅陷阱中的载流子在应力作用下将加速从陷阱逃逸产生瞬态发光(见图1a)。

厦门大学团队在深陷阱长余辉发光材料研究的基础上提出在具有应力发光响应的材料中引入深陷阱的材料设计思路,有可能能够将应力激发产生的载流子长时间束缚于深陷阱中,从而实现无需预先光照激发的应力存储(见图1b),为无需供电的应力记录应用提供一种全新的思路。

03创新研究

3.1 SrSi2O2N2:Eu2+,Dy3+中FICS现象的发现

研究人员将含有深陷阱的SrSi2O2N2:Eu2+,Dy3+材料加热至600K(317ºC)或更高温度以清空陷阱中残留的载流子,冷却至室温后在黑暗环境中轻轻研磨SrSi2O2N2:Eu2+,Dy3+粉体,等待一定时间后(几分钟至数小时)加热样品,观测到明显的热释发光(见图1c-h)。热释发光的强度与研磨的时间呈线性关系。

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图1 FICS现象的发现和可能的能级模型

3.2 SrSi2O2N2:Eu2+,Dy3+中载流子的迁移

为了验证实验中观察到的FICS现象,研究人员以SrSi2O2N2:Eu2+,Dy3+为例对比了紫外线照射激发和应力激发(已预先热清空)时载流子的迁移路线。两种激发方式下获得的瞬态发光光谱、热释发光曲线、热释发光光谱基本一致(图2b-i),说明应力激发产生的载流子存储与紫外线激发的载流子被深陷阱俘获过程(即光学存储)类似。

研究人员进一步讨论了紫外线照射后和无紫外线照射SrSi2O2N2:Eu2+,Dy3+的应力发光(图2j-k)。即使没有预先被紫外线照射,SrSi2O2N2:Eu2+,Dy3+也能够产生应力发光,这证实了应力作用能够激发SrSi2O2N2:Eu2+,Dy3+中的载流子,其中一部分产生瞬态的应力发光,另一部分被深陷阱俘获而暂时存储。

研究人员认为,应力施加过程中由于应力发光颗粒之间或者发光颗粒与其他物体(例如研钵或有机物)之间摩擦产生的电场是导致载流子激发的可能的原因。尽管如此,应力导致的载流子激发的机理解释需要进一步研究。

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图2 SrSi2O2N2:Eu2+,Dy3+中载流子的迁移

3.3 其他材料的FICS效应

研究人员在其他材料中也发现了FICS效应,包括BaSi2O2N2:Eu2+,Dy3+、ZnS:Cu、(Sr0.5Ba0.5)Si2O2N2:Eu2+,Dy3+和SrSi2O2N2:Yb2+,Dy3+等,发光波长覆盖蓝、绿、黄、红(见图3),说明FICS效应具有一定的普适性。目前的结果表明,BaSi2O2N2:Eu2+,Dy3+和ZnS:Cu两种材料的FICS效应较为明显,在应力作用后能够获得较大的热释发光强度。

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图3 其他材料的FICS现象

3.4 FICS效应在电子签名系统、落点记录、汽车碰撞监测中的应用

研究人员将具有FICS效应的材料制备成应力记录薄膜,演示了在电子签名系统、落点记录和汽车碰撞监测中的应用(图4)。应用过程包括应力记录、存放和读取三个过程。以汽车碰撞监测为例,研究人员在一辆模型汽车后部贴上应力记录薄膜,这辆汽车被后车撞击(追尾)后受力信息将被记录在薄膜中。存储一段时间后,通过加热的方式能够将受力信息(位置、分布和相对大小)以热释发光成像方式解读出来(见图4j-k)。研究表明,应力记录和读取过程是非破坏性的,可以使用同一张薄膜实现多次的应力记录和读取。

除了应力记录以外,这项工作中提出的FICS效应也可能用于开发新一代的机械能转换和存储系统。

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图4 FICS效应在电子签名系统、落点记录、汽车碰撞监测中的应用

04应用与展望

综上所述,研究人员在包含深陷阱的多种应力发光材料中报道了一种应力诱导载流子存储(FICS)效应。FICS效应将施加的部分机械能记录并存储于深陷阱中,通过后续的热释发光成像方式还原受力状态。

详细的光谱研究表明,FICS过程中的载流子迁移与光照射下深陷阱长余辉发光材料的载流子存储相似,FICS的机理可能与摩擦产生的电场有关。FICS效应在应力记录如电子签名、落点监测和车辆碰撞监测等方面具有重要应用前景,基于FICS效应的应力记录系统无需连续供电、结构简单、能够实现分布式记录。

同时,FICS效应也为机械能转换和储存提供了一种新的思路,有望应用于分布式能量的收集和利用领域。

文章信息

Zhuang, Y., Tu, D., Chen, C. et al. Force-induced charge carrier storage: a new route for stress recording. Light Sci Appl 9, 182 (2020). 

本文第一作者为厦门大学材料学院庄逸熙,通讯作者为庄逸熙和厦门大学的解荣军教授。合作者包括武汉大学的涂东研究员、中国计量大学的王乐教授、中国科学院城市环境研究所的张洪武研究员、中国科学院北京纳米能源与系统研究所的潘曹峰研究员和厦门大学的戴李宗教授。

该项工作得到国家重点研发计划2017YFB0404300、2017YFB0404301,国家自然科学基金重点项目51832005、面上项目51872247、11804255,福建省自然科学基金面上项目2018J01080及中国科协“青年人才托举工程”项目2018QNRC001支持。

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