无机应力发光材料发光特性、发光机理及应用研究进展

应力发光材料是一类在机械刺激下可实现机械能-光子转换的传感材料。近二十多年来，随着人们对应力发光的深入认识以及对应力发光性能提升方法的逐步掌控，应力发光材料得到了快速发展，并在防伪加密、应力传感、疾病监测、照明显示、应力记录等领域展示出巨大的应用潜力。

近日，中南大学蔡格梅教授团队在《发光学报》（EI、Scopus、中文核心期刊）发表了题为“无机应力发光材料发光特性、发光机理及应用研究进展”的综述文章。

该综述总结了应力发光材料的发展与研究现状，对应力发光机理进行了系统的梳理，分享了当下应力发光材料热点和新颖的应用领域，讨论了未来应力发光材料研究亟待解决的问题以及需要面对的挑战，以期推动应力发光材料的快速发展。

图1：应力发光材料的发展历史

引言

应力发光材料在机械刺激下具有将机械能定量地转换为光发射的特性，其中机械刺激包含粉碎、摩擦、 冲击、压缩、拉伸、弯曲、扭曲、超声波等。1999年，Xu课题组制备出的SrAl ₂O ₄: Eu ²⁺和ZnS: Mn ²⁺弹性应力发光材料在应力传感领域展现出巨大的应用前景，并推动了该类材料的快速发展。当前，通过调控基质成分和晶体结构、改变掺杂离子及其含量、离子共混和异质结等方式，有效地提高了应力发光的强度、灵敏度、热稳定性，降低了应力发光所需的阈值，并实现了应力发光由可见光到近红外光的全覆盖。随着应力发光材料发光特性的提升，其应用从最开始简单的应力传感扩展到了结构探伤、防伪加密、柔性设备、生物成像、智能显示、应力记录等众多领域。虽然应力发光材料的发展取得了长足的进步，但其依旧面临着诸多困难与挑战。期待对前人工作和研究经验的系统总结能为未来应力发光材料的开发提供重要的指导。

应力发光的分类

应力发光常基于机械刺激和可恢复性进行分类，如图2所示。

图 2：应力发光分类

（1）基于不同机械刺激分类

破坏应力发光是在材料发生原子和化学键断裂过程中产生的，通常伴随着等离子体放电。相较之下，变形应力发光并未产生材料的断裂或破坏。以塑性变形为界，可以将变形应力发光细分为弹性应力发光和塑性应力发光。摩擦应力发光是在应力发光颗粒与其他材料之间的摩擦接触中产生的，过程中通常会产生摩擦电场以及化学反应。

（2）基于可恢复性分类

可恢复应力发光即材料在不破坏其结构的循环应力刺激下，其可产生重复的应力发光响应。弹性应力发光以及摩擦应力发光由于具有较好的可重复性，属于可恢复应力发光；而破坏应力发光和塑性应力发光由于发光过程中材料发生了损伤，表现出较差的可重复性，属于不可恢复应力发光。

应力发光材料的发光特性

应力发光材料的发光特性主要包括：发光强度、发光波长、发光持续时间、可恢复性以及灵敏度等，近二十年来国内外学者基于不同的基质、掺杂离子、制备方法、改性手段等对发光特性进行了优化。

应力发光机理

随着研究者对应力发光材料探索的不断深入，应力发光现象的机理解释逐步完善，但由于不能通过直接的检测手段加以验证，因此对相同材料的机理分析存在不同的看法。下面基于压电与非压电材料的划分，就当下普遍认可及新提出的几种可恢复应力发光机理进行介绍。

（1）压电材料应力发光机理

当压电材料受到压力作用时会在内部产生一个电场，这是由于压电材料非中心对称结构所产生的特性。研究者普遍认为材料具有压电特性是实现应力发光的重要因素，因此在设计应力发光材料时常常是基于压电材料。基于压电场与应力发光之间的关系构建了两种模型，分别为压电诱导电致发光模型以及压电诱导载流子脱陷模型，即陷阱中的载流子在压电场的作用下将能量传递给发光中心产生发光。

（2）非压电材料应力发光机理

区别于压电材料，非压电材料不具有本征的压电特性。近年来，性能优异的具有中心对称结构的应力发光材料陆续涌现。当前主要通过局部压电效应以及摩擦电场对具有中心对称结构的材料应力发光机理进行解释，但随着具有特殊应力发光特性材料的涌现，现有的机理无法对其应力发光过程进行解释，因此新的应力发光机理也逐渐被提出。

应力发光材料的应用

应力发光材料由于能在多种形式的机械应力作用下发光，如研磨、刮擦、按压、水流、气流、超声等，使得其应用场景十分广泛，在防伪加密、柔性设备、应力传感、生物医疗、成像显示、应力记录等领域均体现出极大的应用价值。

（1）防伪加密

随着现代社会的快速发展，开发更加先进的防伪加密技术具有重要意义。应力发光材料独特的现象给予了其防伪加密的可能，将其与光致发光、余辉等现象耦合能进一步提升其防伪能力。

图3：应力发光材料在防伪加密领域的潜在应用

（2）应力传感

传统基于电阻、电容的传感器通常体积较大，且使用场景比较受限。相较之下，基于应力发光的传感器往往小巧轻便，具有高度的灵活性和适应性。应力发光的强度在弹性范围内通常与所受应力呈线性比例关系，这使得传感器可以定量记录应力，此外还能通过颜色变化半定量传感。

图4：应力发光材料在应力传感领域的潜在应用

（3）疾病监测

当今社会人们越来越重视自身健康，医学界也在着力开发更先进的健康诊断手段。部分应力发光材料由于能近红外发光或者能与弹性材料复合，可以实现体内应力探测，达到监测疾病的目的。

图5：应力发光材料在疾病监测领域的潜在应用

（4）照明显示

应力发光材料能够在按压、水流、气流、摩擦等机械刺激下释放能量并发光，是一种相对特殊的发光形式，同时也为停电、少电等情况下的照明显示提供了解决方案。

图6：应力发光材料在照明显示领域的潜在应用

（5）应力记录

大部分基于应力发光材料的传感研究体现了其远程、实时、大面积的优势，而部分应力发光材料还具备“应力记录”的特性，能应用于车祸等突发场合以及封闭的机械结构。

图7：应力发光材料在应力记录领域的潜在应用

结论与展望

过去二十多年，应力发光材料的快速发展加速了人们对其的认识，有效地建立了发光特性与机械刺激之间的关系，基于应力发光材料设计的各种器件展示了其在应用领域的巨大价值。虽然应力发光的发展已经向前迈出了一大步，但当下应力发光的研究依然存在诸多问题，未来也同样面临着前所未有的挑战。

一是当前机理的完善以及新机理的建立。当前普遍基于陷阱脱困模型去解释应力发光现象，但应力发光特性与陷阱之间并未建立起一种关系。自恢复应力发光是重点研究方向，近两年与陷阱无关的自恢复应力发光材料不断涌现，促使接触带电诱导应力发光、摩擦诱导电子轰击应力发光等新机理被相继提出。然而，这些机理基于较多的假设与猜想，且不具有普适性。因此，需要研究者进一步完善并建立具有广泛普适性和明确物理解释的令人信服的机制模型，这有助于为高性能应力发光材料的研究提供设计路线。

二是现有应力发光材料发光性能的提升以及新材料的探索。虽然近些年新应力发光材料不断涌现，但还远不能满足不同实际应用的需求。对于新应力发光材料的探索，可以通过相图、理论计算与实验数据相结合的方式来寻找新材料和构建基质材料与发光中心的筛选机制和匹配模型，并联系应力发光机理对新材料应力发光性能进行预测。这将实现对应力发光材料的快速筛选，为寻找具有优异性能的应力发光材料提供帮助。

三是推动应力发光材料的实际应用以及应用的多样性。目前大部分应用仍处于理想的实验条件，并未真正实现产业化，建立统一的应力发光强度与效率的评估方法与标准是关键；近红外应力发光材料暂未实现活体体内生物应力成像；应力发光材料在超高压环境下传感的可行性还需研究。未来应用还可更多样化，例如与测温设备、气体检测设备等集成，在同一设备上实现多种功能；近红外应力发光材料还可拓展到生物应力成像以外的领域；拓展应力载体复合材料的种类。

文章来源：中国光学