Mechanoluminescentie (ML) is een soort luminescentie die wordt veroorzaakt door een mechanische actie op een vaste stof, leidend tot een scala aan toepassingen in materiaalonderzoek, fotonica en optica. Bijvoorbeeld, de mechanische actie kan energie vrijgeven die eerder was opgeslagen in het kristalrooster van fosfor via gevangen ladingsdragers. Echter, de methode heeft limieten bij het registreren van ML-emissies tijdens een drukgeïnduceerde gebeurtenis. In een nieuwe studie, Robin R. Petit en een onderzoeksteam van het LumiLab, Vakgroep Solid State Sciences aan de Universiteit Gent-België bedacht een nieuwe techniek om een ​​geheugenfunctie toe te voegen aan drukgevoelige fosforen. Met behulp van de methode, de wetenschappers verkregen een optische uitlezing van de locatie en intensiteit van een drukgebeurtenis drie dagen (72 uur) na het evenement.

Het team nam nota van het resultaat met behulp van met Europium gedoteerde bariumsiliciumoxynitride (BaSiO ₂ N ₂ :EU ²⁺ ) fosfor, die een brede valdiepteverdeling of diepte van defectverdeling bevatte - essentieel voor de unieke geheugenfunctie. De aangeslagen elektronen van fosfor vulden de 'vallen' (of defecten) in het kristalrooster, die kan worden geleegd door gewicht toe te passen om licht uit te stralen. Het onderzoeksteam heeft optisch gestimuleerde luminescentie (OSL), thermoluminescentie (TL) en ML-metingen om de invloed van licht zorgvuldig te analyseren, warmte en druk op de diepteverdeling van de val. Op basis van het geheugeneffect, de materialen herinnerden zich de plaats waar de druk had plaatsgevonden, het helpen van onderzoekers bij het ontwikkelen van nieuwe drukgevoelige toepassingen en het bestuderen van de overgangen van ladingsdragers binnen fosforen voor energieopslag. Het werk is nu gepubliceerd op Licht:wetenschap en toepassingen .

Wanneer specifieke materialen worden onderworpen aan mechanische actie, lichtemissie kan worden waargenomen als mechanoluminescentie (ML). Het proces kan worden geïnduceerd door verschillende soorten mechanische spanning, waaronder wrijving, breuk, buigen, impact van een gewicht en zelfs echografie, kristallisatie en wind. Het fenomeen kan worden gebruikt om spanningsverdeling te identificeren, microscheurvoortplanting en structurele schade in vaste stoffen, terwijl een verscheidenheid aan toepassingen in displays mogelijk is, om echografie te visualiseren en zelfs persoonlijk handschrift in kaart te brengen. Echter, de techniek wordt beperkt door het bereik van emissiekleuren, beperking van real-time metingen en beperkte zichtbaarheid van het signaal.

Eu . gebruiken ²⁺ gedoteerde BaSiO ₂ N ₂ fosfor als voorbeeld, de wetenschappers prikkelden de fosfor eerst met ultraviolet (UV) of blauw licht om het in een aangeslagen toestand te brengen. Toen het ion terugging naar de grondtoestand, ze observeerden een blauwgroene kleuremissie. Onderzoekers hadden eerder aangetoond dat thermisch geassisteerde detrapping (elektronenverwijdering uit een val) 'glow-in-the-dark'-fosforen mogelijk maakte voor veiligheidssignalisatie of bio-imaging-functies. Het toepassen van druk in de opstelling veroorzaakte op dezelfde manier detrapping voor thermische en drukgeïnduceerde detrapping om concurrerende processen te worden. De wetenschappers vermeden de aanwezigheid van achtergrondemissie of nagloeiing in de opstelling om de zichtbaarheid van het signaal te vergroten. In dit werk, Petit et al. introduceerde de eigenschap drukgeheugen (P-MEM), waardoor fosfordeeltjes die aan druk werden onderworpen, het proces onder infraroodstraling (IR) meer dan 72 uur na het aanbrengen van de druk konden onthouden.

Het team onderzocht de onderliggende werkingsprincipes van de P-MEM-eigenschap (drukgeheugen) door gebruik te maken van een relatief groot bereik aan valdieptes in de fosfor, waarbij verschillende vallen verschillend reageerden op specifieke stimuli (druk, warmte, licht). Toen ze mechanisch detrapping induceerden, recombineerden sommige ladingsdragers om onmiddellijke lichtemissie op te leveren, terwijl andere werden herverdeeld over relatief ondiepe vallen of bijna permanent werden opgeslagen in diepe vallen. Om de ladingen in diepe vallen los te laten, gebruikten ze IR-straling. Het werk opent nieuwe wegen voor drukmeting en vergemakkelijkt de studie van fosforen voor energieopslag door subtiele interacties tussen thermische, mechanische en optische detrapping.

Om de reproduceerbaarheid van de ML-tests te testen, de wetenschappers voerden eerst mechanische stimulatie uit door niet-destructief een bolvormige staaf over het oppervlak van de fosfor te slepen. Ze garandeerden de reproduceerbaarheid van de metingen door de initiële ML-intensiteit te herstellen na elke UV-excitatiestap. De capaciteit van actieve opslagvallen bleef ongewijzigd door mechanische stimulatie, terwijl het slepen proces niet-destructief bleef. Om de P-MEM-eigenschap te bereiken, het team combineerde mechanische en optische stimulaties in het lab, ze gebruikten druk om de elektronen te verplaatsen en gebruikten optische middelen om de resultaten uit te lezen.

Eerst, ze stelden het kristal bloot aan UV-licht gevolgd door ML-stimulatie door een staaf meerdere keren heen en weer te slepen, bestraalde vervolgens het monster met behulp van de IR-laser. Tijdens IR-stimulatie, het emissiespectrum is afkomstig van de Eu ²⁺ lichtgevend centrum in BaSiO ₂ N ₂ . Het team onderzocht de relatie tussen de luminescentie-intensiteit en de grootte van de belasting in het experiment; die lineair toenam met de toegepaste belasting. Door hogere belastingen toe te passen voor mechanische stimulatie werden meer vallen in het kristal geleegd om meer ladingsdragers vrij te maken. Sommige van de vrijgekomen elektronen recombineerden onmiddellijk met geïoniseerde europium-ionen om het gemeenschappelijke ML-signaal op te leveren.

Na een uitgebreide test van de opstelling, Petit et al. observeerde de oorsprong van P-MEM met behulp van thermoluminescentie (TL) om de bezetting van vallen in fosforen te onthullen. Voor deze, ze verdeelden de TL-glow-curven in drie regio's met een ondiepe (25 ° C tot 45 ° C), intermediair (45 ° C tot 80 ° C) en diep opvanggebied (> 80 graden). De resultaten impliceerden dat de P-MEM-eigenschap was gebaseerd op een herschikkingsgebeurtenis om ladingsdragers vrij te geven die diepe valniveaus innamen.

Het was even belangrijk voor het onderzoeksteam om het P-MEM-signaal te visualiseren als een functie van de tijd. Ze bereikten dit door een speciaal experiment uit te voeren om de invloed van IR-straling te testen en twee effecten waargenomen met betrekking tot (1) het legen van diepe valniveaus, gevolgd door het (2) daaropvolgende verval dat voortkomt uit de geleidelijke uitputting van ondiepe en tussenliggende valniveaus. Door de stabiliteit van diepe vallen, na het optimaliseren van de setup, het team observeerde het P-MEM-signaal met voldoende intensiteit - drie dagen na het uitoefenen van druk en IR-bestraling ondersteunde uitlezing.

Op deze manier, Robin R. Petit en collega's hebben een specifieke interactie tussen mechanische en optische detrapping in BaSiO . beschreven ₂ N ₂ :EU ²⁺ , wat leidde tot de unieke P-MEM-eigenschap die in het onderzoek werd waargenomen. Ze herstelden een door druk geïnduceerd ML-signaal na IR-bestraling van de fosfor, gebaseerd op de gedetailleerde interacties. Toen ze optische detrapping uitvoerden met IR-straling, de diepere vallen liepen snel leeg om een ​​verhoogde signaalsterkte te creëren op plaatsen waar eerder druk was opgetreden, zelfs 72 uur tussen de drukstimuli en IR-uitlezing. De diepe vallen speelden een belangrijke rol bij het verkrijgen van het P-MEM-fenomeen en kunnen worden uitgebreid tot nog langere uren.

Het werk opent een nieuwe weg voor het opslaan en ophalen van informatie, terwijl mechanische stimulatie een unieke manier biedt om informatie te schrijven. De beschreven P-MEM heeft een groot potentieel binnen structurele gezondheidsmonitoringtoepassingen en in de biogeneeskunde. De uitgebreide resultaten geven aan dat er nog veel moet worden begrepen over de innerlijke werking van luminescente verschijnselen met betrekking tot detrapping- en retrapping-routes, verder diepgaand onderzoek rechtvaardigen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk