近日，廈門大學、武漢大學、中國計量大學、中國科學院城市環(huán)境研究所、中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所合作提出了一種應力誘導載流子存儲（Force-induced charge carrier storage， FICS）效應，這種效應能夠將應力作用下產生的載流子存儲于應力發(fā)光材料較深的能量陷阱中，隨后在熱刺激下讀取出存儲的應力信息。相關研究成果以“ Force-induced charge carrier storage： A new route for stress recording ”為題發(fā)表在Light： Science & Applications。

01導讀

應力傳感是電子簽名系統(tǒng)、結構健康診斷、生物醫(yī)學工程、人工智能等應用的重要支撐。其中，基于應力發(fā)光材料的應力傳感技術具有分布傳感和遠程響應的顯著優(yōu)勢，有望用于發(fā)展下一代觸覺傳感器和應力記錄裝置。一般認為，應力發(fā)光材料在受到機械刺激的瞬間發(fā)射出光子，需要在線使用光電探測器對于光子進行實時探測，這使得應力發(fā)光材料的應用被限制于實時的應力傳感。

近日，廈門大學、武漢大學、中國計量大學、中國科學院城市環(huán)境研究所、中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所合作提出了一種應力誘導載流子存儲（Force-induced charge carrier storage， FICS）效應，這種效應能夠將應力作用下產生的載流子存儲于應力發(fā)光材料較深的能量陷阱中，隨后在熱刺激下讀取出存儲的應力信息。

研究團隊基于FICS效應構建了一種新的應力記錄裝置，演示了在電子簽名系統(tǒng)、落點監(jiān)測和車輛碰撞監(jiān)測等方面的應用，顯示出分布傳感、長期存儲和無需供電的突出優(yōu)勢。該研究不僅為應力發(fā)光材料在非實時應力傳感領域的應用帶來了新的突破，同時也為發(fā)展新型的機械能存儲-轉換系統(tǒng)提供了新的思路。

02研究背景

應力記錄包含應力作用的探測和記錄過程。傳統(tǒng)的應力記錄裝置一般由探測單元和存儲單元組成，在記錄過程中需要對于探測單元和存儲單元持續(xù)提供電源。供電式應力記錄裝置的結構較為復雜，在長時間工作中產生較大的能耗。研究人員一直在尋找簡單高效的、無需供電的應力記錄方式和可靠的應力存儲介質。

2009年，日本產業(yè)技術綜合研究所的徐超男研究員等人率先采用應力發(fā)光材料與感光材料相結合的思路設計了一種用于無供電應力記錄的雙層薄膜結構。上層應力發(fā)光材料受到應力作用時發(fā)射出光子，下層感光材料吸收光子后產生光學性能（例如吸光度）的變化，光學性能的改變量與累計的應力作用呈線性關系【Jpn. J. Appl. Phys. 48， 04C150 （2009）】。

2019年，比利時根特大學的Smet等人發(fā)表了利用應力發(fā)光材料的深陷阱實現(xiàn)應力記錄的工作。他們發(fā)現(xiàn)在紫外光照射后的應力發(fā)光薄膜表面施加一定應力后，載流子將從較淺的陷阱被轉移至較深的陷阱中，從而能夠在室溫下長期存儲【Light-Sci. Appl. 8， 124 （2019）】。

上述兩個工作都是基于應力發(fā)光材料實現(xiàn)了長時間、無需供電的應力記錄，開拓了應力發(fā)光材料在非實時應力傳感的應用領域。

一般認為，應力發(fā)光是應力作用下產生的瞬態(tài)發(fā)光，應力作用結束之后發(fā)光即停止。這是由于應力發(fā)光研究中關注的是淺陷阱，預先光照激發(fā)或者應力激發(fā)進入淺陷阱中的載流子在應力作用下將加速從陷阱逃逸產生瞬態(tài)發(fā)光（見圖1a）。

廈門大學團隊在深陷阱長余輝發(fā)光材料研究的基礎上提出在具有應力發(fā)光響應的材料中引入深陷阱的材料設計思路，有可能能夠將應力激發(fā)產生的載流子長時間束縛于深陷阱中，從而實現(xiàn)無需預先光照激發(fā)的應力存儲（見圖1b），為無需供電的應力記錄應用提供一種全新的思路。

03創(chuàng)新研究

3.1 SrSi2O2N2:Eu2+，Dy3+中FICS現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

研究人員將含有深陷阱的SrSi2O2N2:Eu2+，Dy3+材料加熱至600K（317oC）或更高溫度以清空陷阱中殘留的載流子，冷卻至室溫后在黑暗環(huán)境中輕輕研磨SrSi2O2N2:Eu2+，Dy3+粉體，等待一定時間后（幾分鐘至數小時）加熱樣品，觀測到明顯的熱釋發(fā)光（見圖1c-h）。熱釋發(fā)光的強度與研磨的時間呈線性關系。

圖1 FICS現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和可能的能級模型

3.2 SrSi2O2N2:Eu2+，Dy3+中載流子的遷移

為了驗證實驗中觀察到的FICS現(xiàn)象，研究人員以SrSi2O2N2:Eu2+，Dy3+為例對比了紫外線照射激發(fā)和應力激發(fā)（已預先熱清空）時載流子的遷移路線。兩種激發(fā)方式下獲得的瞬態(tài)發(fā)光光譜、熱釋發(fā)光曲線、熱釋發(fā)光光譜基本一致（圖2b-i），說明應力激發(fā)產生的載流子存儲與紫外線激發(fā)的載流子被深陷阱俘獲過程（即光學存儲）類似。

研究人員進一步討論了紫外線照射后和無紫外線照射SrSi2O2N2:Eu2+，Dy3+的應力發(fā)光（圖2j-k）。即使沒有預先被紫外線照射，SrSi2O2N2:Eu2+，Dy3+也能夠產生應力發(fā)光，這證實了應力作用能夠激發(fā)SrSi2O2N2:Eu2+，Dy3+中的載流子，其中一部分產生瞬態(tài)的應力發(fā)光，另一部分被深陷阱俘獲而暫時存儲。

研究人員認為，應力施加過程中由于應力發(fā)光顆粒之間或者發(fā)光顆粒與其他物體（例如研缽或有機物）之間摩擦產生的電場是導致載流子激發(fā)的可能的原因。盡管如此，應力導致的載流子激發(fā)的機理解釋需要進一步研究。

圖2 SrSi2O2N2:Eu2+，Dy3+中載流子的遷移

3.3 其他材料的FICS效應

研究人員在其他材料中也發(fā)現(xiàn)了FICS效應，包括BaSi2O2N2:Eu2+，Dy3+、ZnS:Cu、（Sr0.5Ba0.5）Si2O2N2:Eu2+，Dy3+和SrSi2O2N2:Yb2+，Dy3+等，發(fā)光波長覆蓋藍、綠、黃、紅（見圖3），說明FICS效應具有一定的普適性。目前的結果表明，BaSi2O2N2:Eu2+，Dy3+和ZnS:Cu兩種材料的FICS效應較為明顯，在應力作用后能夠獲得較大的熱釋發(fā)光強度。

圖3 其他材料的FICS現(xiàn)象

3.4 FICS效應在電子簽名系統(tǒng)、落點記錄、汽車碰撞監(jiān)測中的應用

研究人員將具有FICS效應的材料制備成應力記錄薄膜，演示了在電子簽名系統(tǒng)、落點記錄和汽車碰撞監(jiān)測中的應用（圖4）。應用過程包括應力記錄、存放和讀取三個過程。以汽車碰撞監(jiān)測為例，研究人員在一輛模型汽車后部貼上應力記錄薄膜，這輛汽車被后車撞擊（追尾）后受力信息將被記錄在薄膜中。存儲一段時間后，通過加熱的方式能夠將受力信息（位置、分布和相對大小）以熱釋發(fā)光成像方式解讀出來（見圖4j-k）。研究表明，應力記錄和讀取過程是非破壞性的，可以使用同一張薄膜實現(xiàn)多次的應力記錄和讀取。

除了應力記錄以外，這項工作中提出的FICS效應也可能用于開發(fā)新一代的機械能轉換和存儲系統(tǒng)。

圖4 FICS效應在電子簽名系統(tǒng)、落點記錄、汽車碰撞監(jiān)測中的應用

04應用與展望

綜上所述，研究人員在包含深陷阱的多種應力發(fā)光材料中報道了一種應力誘導載流子存儲（FICS）效應。FICS效應將施加的部分機械能記錄并存儲于深陷阱中，通過后續(xù)的熱釋發(fā)光成像方式還原受力狀態(tài)。

詳細的光譜研究表明，F(xiàn)ICS過程中的載流子遷移與光照射下深陷阱長余輝發(fā)光材料的載流子存儲相似，F(xiàn)ICS的機理可能與摩擦產生的電場有關。FICS效應在應力記錄如電子簽名、落點監(jiān)測和車輛碰撞監(jiān)測等方面具有重要應用前景，基于FICS效應的應力記錄系統(tǒng)無需連續(xù)供電、結構簡單、能夠實現(xiàn)分布式記錄。

同時，F(xiàn)ICS效應也為機械能轉換和儲存提供了一種新的思路，有望應用于分布式能量的收集和利用領域。

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）。

本文第一作者為廈門大學材料學院莊逸熙，通訊作者為莊逸熙和廈門大學的解榮軍教授。合作者包括武漢大學的涂東研究員、中國計量大學的王樂教授、中國科學院城市環(huán)境研究所的張洪武研究員、中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的潘曹峰研究員和廈門大學的戴李宗教授。

該項工作得到國家重點研發(fā)計劃2017YFB0404300、2017YFB0404301，國家自然科學基金重點項目51832005、面上項目51872247、11804255，福建省自然科學基金面上項目2018J01080及中國科協(xié)“青年人才托舉工程”項目2018QNRC001支持。

責任編輯：PSY