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科研進展

《Advanced Materials》《Advanced Functional Materials》刊登涂東研究員發光材料研究新進展

來源:  發布時間:2020-05-21 16:45:19 點擊次數:

近期,我院涂東研究員在近紅外應力發光材料研究領域中取得重要突破,在權威學術期刊《Advanced Materials》上發表題為“Ferroelectric Sr3Sn2O7:Nd3+: A New Multipiezo Material with Ultra-sensitive and Sustainable Near-infrared Piezoluminescence”的學術工作。我院涂東研究員為第一作者,日本產業技術綜合研究所徐超男教授為通訊作者,這項工作的合作者還包括加州大學伯克利分校的G.Marriott教授和日本九州工業大學Y. Horibe教授等,該研究得到了國家自然科學基金,日本學術振興會KAKENHI等基金項目資助。

應力發光(Mechanoluminescence)是指固體材料在壓縮、拉伸、彎曲、荷重、震蕩、切割、剝離、碾磨、刮擦、擠壓、沖擊等機械受力下產生熒光的一種普遍現象。這種彈性形變范圍內的應力引起了發光的成功實現,對于未來的無源光源開發,環境凈化,生物顯像,應力分布可視化,破壞預知,甚至從微小物品到橋梁大范圍的安全性檢測都具有重大的潛力。盡管目前應力發光相關研究得到很多研究者的關注,但是目前已開發的應力發光材料的發光波長范圍主要集中在380-650 nm之間的紫外和可見光波段,近紅外波段(650-1800 nm)的應力發光研究仍然比較缺乏。如果近紅外波段發射的應力發光得以實現,這種應力發光材料的開發會對高精度應力檢測,高分辨應力傳感器和生物顯像等多領域的發展將起到至關重要的推動作用。

涂東研究員在其研究中成功開發了具有可持續性和超敏度的近紅外應力發光材料Sr3Sn2O7:Nd3+,此材料僅僅利用微應力應變即可實現800-1500nm的近紅外應力發光效果,而其鐵電特性也有效地提升了應力發光強度,即使在白光照明的條件下,此材料也能夠實現微應變級別(低于1000μst)的應力傳感。除此之外,本研究還利用Sr3Sn2O7:Nd3+的近紅外應力發光效果成功進行了生物組織遮擋下的高對比度成像和生物力學應力傳感,其發光強度分布與應力模擬計算的結果展現出很好的一致性(圖1。這項研究展現出近紅外應力發光材料在生物力學性能分析方面具有重大的應用潛力,通過生物體外的發光圖像的采集和分析,即可以獲得生物體內力學性能的有效信息,尤其對諸如小動物髖關節和植入性骨板等在生物體內的應力分析和缺陷檢測等應用起到重要推動作用。

1 Sr3Sn2O7:Nd3+的近紅外應力發光與生物透過性應力分析


另外,在鐵電光致發光晶體的研究方面涂東研究員與沙特阿卜杜拉國王科技大學團隊合作在《Advanced Functional Materials》發表題為“Photoluminescent Ferroelectric LiNbO3 Crystals Grown from MXenes”的研究論文。我院涂東研究員,阿卜杜拉國王科技大學張西祥教授、Husam N. Alshareef教授為本論文的通訊作者。本工作得到了國家自然科學基金項目的資助。

LiNbO3具有出色的鐵電性,超高的居里溫度,優異的光折變和光伏性能,以及較大的電光和聲光系數等特性,在非易失性全息存儲,聲學鑷子,波導等領域具有重要應用價值。此外,稀土元素摻雜的LiNbO3:RE3+晶體在應力發光,和上下轉換發光等領域有重要應用前景。目前,合成的LiNbO3以粉末、納米顆粒和薄膜等形貌為主,稀土摻雜的LiNbO3粉體也主要通過高溫燒結合成,以MXene為前驅體通過水熱法合成的大尺寸片狀LiNbO3鐵電晶體和LiNbO3:Pr3+鐵電光致發光晶體尚未報道。本研究報道了以Nb2CMXene為前驅體,通過表面活性劑調節晶體生長,合成片狀LiNbO3晶體和稀土元素摻雜LiNbO3:Pr3+光致發光晶體的全新路徑(圖2),通過生長光致發光鐵電LiNbO3晶體進一步證明了MXene的材料廣泛應用前景。這項工作不僅為合成取向良好的上下轉換發光晶體提供了一種嶄新的方式表明,同時也為拓展MXenes材料的多元化應用,提供了新的思路。

2 利用Nb2C MXene 作為前驅體合成LiNbO3:Pr3+光致發光晶體示意圖


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