Fotoluminescentie (PL) is lichtemissie van een stof na de absorptie van fotonen gestimuleerd door temperatuur, elektriciteit, druk, of scheikunde doping. Een internationaal team van wetenschappers onder leiding van Dr. Wenge Yang van het Centre for High Pressure Science &Technology Advanced Research (HPSTAR) presenteert een sterke driekleurige PL bereikt in niet-PL pyrochloorho ₂ sn ₂ O ₇ door middel van een hogedrukbehandeling. Interessant is dat de PL veel verbeterd kan worden na drukontlasting en hersteld kan worden naar omgevingscondities. Hun studie is gepubliceerd in het recente nummer van Fysieke beoordelingsbrieven .

Fotoluminescente materialen worden veel gebruikt op het gebied van biochemie en geneeskunde, die kunnen worden gebruikt als lasers, anti-namaak labels en sensoren. Zeldzame aarde pyrochloor heeft veel aandacht getrokken vanwege zijn potentiële optische eigenschappen, stabiele structuur en chemische eigenschappen. Het luminescentiekarakter van pyrochloor komt voornamelijk van zeldzame aardionen. Het heeft het potentieel van toepassing in extreme omstandigheden omdat de uitstoot van pyrochloor ongevoelig is voor de externe omgeving.

"Druk is op grote schaal gebruikt als een uniek hulpmiddel om de PL-eigenschappen van materialen af ​​te stemmen, zoals hybride perovskieten", zei dr. Wenge Yang. "Dus wat zal er gebeuren om druk uit te oefenen op de niet-PL-materialen zoals het structureel stabiele pyrochloor Ho ₂ sn ₂ O ₇ , een typisch materiaal dat wordt gebruikt in kernreactoren of immobilisatie van afval."

Wanneer Ho ₂ sn ₂ O ₇ is gecomprimeerd boven ~31 GPa, de niet-PL Ho ₂ sn ₂ O ₇ toont driekleurige PL, variërend van groen tot rood tot nabij-infraroodbereik met groene PL domineren. Interessanter, de driekleurige PL blijft niet alleen behouden, maar is ook grotendeels verbeterd (twee keer verbeterd in groen en nabij-infrarood PL en vier keer in rode PL) en met rood PL dominant na drukdoving. Als referentie, de teruggevonden Ho ₂ sn ₂ O ₇ met een druk die onder de 31 GPa is behandeld, vertoont helemaal geen PL.

"In feite heeft druk PL in veel materialen veroorzaakt, de drukgeïnduceerde PL in de meeste materialen zal echter verdwijnen na drukontlasting, " zei Dr. Yongsheng Zhao, de hoofdauteur van de studie. "De driekleurige PL in Ho ₂ sn ₂ O ₇ kan worden hersteld tot omgevingsconditie en grotendeels verbetering met drukontlasting is echt opwindend gedrag, omdat deze materialen een potentiële toepassing kunnen hebben voor de drukdrempelsensor in de geschiedenis van extreme omstandigheden."

Wat maakt dan de kleurrijke PL in de gecomprimeerde Ho ₂ sn ₂ O ₇ ?

Om de unieke PL geïnduceerd in Ho . verder te onderzoeken ₂ sn ₂ O ₇ , het team voerde röntgendiffractie- en röntgenabsorptiemetingen uit om de structuren tijdens compressie in het monster te volgen. De röntgendiffracties laten zien dat bij de druk waar PL ontstond, het monster onderging ook een transformatie van de kristalstructuur. En bij decompressie, het materiaal veranderde in amorfe toestand.

"Onze verdere analyse van kristal en elektronische structuur onthulde dat de centrosymmetrische plaatssymmetrie van Ho ³⁺ verandering naar niet-centrosymmetrisch tijdens structurele verandering bij hoge druk, " verklaarde Dr. Yongsheng Zhao. "Dit verbeterde de hybridisatie van Ho ³⁺ elektronenorbitalen en brengt zo de opkomst van driekleurige PL met zich mee. En de verbeterde PL in amorfe toestand komt van de energie-uitwisseling tussen de twee Ho ³⁺ , wat een extra emissiecentrum in het uitgedoofde monster stimuleert."

"Onze studie benadrukt het drukeffect op de symmetrie van de lokale ionenplaats, die het nieuwe emissiecentrum grotendeels verandert en in staat stelt van traditioneel minder dan 1% dopingniveau van RE-ionmaterialen naar een reguliere locatie RE (18% in dit geval). Het nieuwe natuurkundige principe zou mogelijk voor veel andere soorten systemen kunnen worden gebruikt, "voegde Dr. Yang toe.