應(yīng)力誘導(dǎo)載流子存儲效應(yīng)被提出

近日，廈門大學(xué)、武漢大學(xué)、中國計(jì)量大學(xué)、中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所、中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所合作提出了一種應(yīng)力誘導(dǎo)載流子存儲（Force-induced charge carrier storage， FICS）效應(yīng)，這種效應(yīng)能夠?qū)?yīng)力作用下產(chǎn)生的載流子存儲于應(yīng)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(yīng)力信息。相關(guān)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(dǎo)讀

應(yīng)力傳感是電子簽名系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康診斷、生物醫(yī)學(xué)工程、人工智能等應(yīng)用的重要支撐。其中，基于應(yīng)力發(fā)光材料的應(yīng)力傳感技術(shù)具有分布傳感和遠(yuǎn)程響應(yīng)的顯著優(yōu)勢，有望用于發(fā)展下一代觸覺傳感器和應(yīng)力記錄裝置。一般認(rèn)為，應(yīng)力發(fā)光材料在受到機(jī)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(jìn)行實(shí)時(shí)探測，這使得應(yīng)力發(fā)光材料的應(yīng)用被限制于實(shí)時(shí)的應(yīng)力傳感。

近日，廈門大學(xué)、武漢大學(xué)、中國計(jì)量大學(xué)、中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所、中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所合作提出了一種應(yīng)力誘導(dǎo)載流子存儲（Force-induced charge carrier storage， FICS）效應(yīng)，這種效應(yīng)能夠?qū)?yīng)力作用下產(chǎn)生的載流子存儲于應(yīng)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(yīng)力信息。

研究團(tuán)隊(duì)基于FICS效應(yīng)構(gòu)建了一種新的應(yīng)力記錄裝置，演示了在電子簽名系統(tǒng)、落點(diǎn)監(jiān)測和車輛碰撞監(jiān)測等方面的應(yīng)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(yīng)力發(fā)光材料在非實(shí)時(shí)應(yīng)力傳感領(lǐng)域的應(yīng)用帶來了新的突破，同時(shí)也為發(fā)展新型的機(jī)械能存儲-轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供了新的思路。

02研究背景

應(yīng)力記錄包含應(yīng)力作用的探測和記錄過程。傳統(tǒng)的應(yīng)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(yīng)力記錄裝置的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在長時(shí)間工作中產(chǎn)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(yīng)力記錄方式和可靠的應(yīng)力存儲介質(zhì)。

2009年，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的徐超男研究員等人率先采用應(yīng)力發(fā)光材料與感光材料相結(jié)合的思路設(shè)計(jì)了一種用于無供電應(yīng)力記錄的雙層薄膜結(jié)構(gòu)。上層應(yīng)力發(fā)光材料受到應(yīng)力作用時(shí)發(fā)射出光子，下層感光材料吸收光子后產(chǎn)生光學(xué)性能（例如吸光度）的變化，光學(xué)性能的改變量與累計(jì)的應(yīng)力作用呈線性關(guān)系【Jpn. J. Appl. Phys. 48， 04C150 （2009）】。

2019年，比利時(shí)根特大學(xué)的Smet等人發(fā)表了利用應(yīng)力發(fā)光材料的深陷阱實(shí)現(xiàn)應(yīng)力記錄的工作。他們發(fā)現(xiàn)在紫外光照射后的應(yīng)力發(fā)光薄膜表面施加一定應(yīng)力后，載流子將從較淺的陷阱被轉(zhuǎn)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(gè)工作都是基于應(yīng)力發(fā)光材料實(shí)現(xiàn)了長時(shí)間、無需供電的應(yīng)力記錄，開拓了應(yīng)力發(fā)光材料在非實(shí)時(shí)應(yīng)力傳感的應(yīng)用領(lǐng)域。

一般認(rèn)為，應(yīng)力發(fā)光是應(yīng)力作用下產(chǎn)生的瞬態(tài)發(fā)光，應(yīng)力作用結(jié)束之后發(fā)光即停止。這是由于應(yīng)力發(fā)光研究中關(guān)注的是淺陷阱，預(yù)先光照激發(fā)或者應(yīng)力激發(fā)進(jìn)入淺陷阱中的載流子在應(yīng)力作用下將加速從陷阱逃逸產(chǎn)生瞬態(tài)發(fā)光（見圖1a）。

廈門大學(xué)團(tuán)隊(duì)在深陷阱長余輝發(fā)光材料研究的基礎(chǔ)上提出在具有應(yīng)力發(fā)光響應(yīng)的材料中引入深陷阱的材料設(shè)計(jì)思路，有可能能夠?qū)?yīng)力激發(fā)產(chǎn)生的載流子長時(shí)間束縛于深陷阱中，從而實(shí)現(xiàn)無需預(yù)先光照激發(fā)的應(yīng)力存儲（見圖1b），為無需供電的應(yīng)力記錄應(yīng)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(shí)間后（幾分鐘至數(shù)小時(shí)）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(qiáng)度與研磨的時(shí)間呈線性關(guān)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(yàn)證實(shí)驗(yàn)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(yīng)力激發(fā)（已預(yù)先熱清空）時(shí)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(yīng)力激發(fā)產(chǎn)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(xué)存儲）類似。

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

研究人員認(rèn)為，應(yīng)力施加過程中由于應(yīng)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(jī)物）之間摩擦產(chǎn)生的電場是導(dǎo)致載流子激發(fā)的可能的原因。盡管如此，應(yīng)力導(dǎo)致的載流子激發(fā)的機(jī)理解釋需要進(jìn)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(yīng)

研究人員在其他材料中也發(fā)現(xiàn)了FICS效應(yīng)，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(lán)、綠、黃、紅（見圖3），說明FICS效應(yīng)具有一定的普適性。目前的結(jié)果表明，BaSi2O2N2:Eu2+，Dy3+和ZnS:Cu兩種材料的FICS效應(yīng)較為明顯，在應(yīng)力作用后能夠獲得較大的熱釋發(fā)光強(qiáng)度。

圖3 其他材料的FICS現(xiàn)象

3.4 FICS效應(yīng)在電子簽名系統(tǒng)、落點(diǎn)記錄、汽車碰撞監(jiān)測中的應(yīng)用

研究人員將具有FICS效應(yīng)的材料制備成應(yīng)力記錄薄膜，演示了在電子簽名系統(tǒng)、落點(diǎn)記錄和汽車碰撞監(jiān)測中的應(yīng)用（圖4）。應(yīng)用過程包括應(yīng)力記錄、存放和讀取三個(gè)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(yīng)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(shí)間后，通過加熱的方式能夠?qū)⑹芰π畔ⅲㄎ恢?、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(yīng)力記錄和讀取過程是非破壞性的，可以使用同一張薄膜實(shí)現(xiàn)多次的應(yīng)力記錄和讀取。

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

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

04應(yīng)用與展望

綜上所述，研究人員在包含深陷阱的多種應(yīng)力發(fā)光材料中報(bào)道了一種應(yīng)力誘導(dǎo)載流子存儲（FICS）效應(yīng)。FICS效應(yīng)將施加的部分機(jī)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(xì)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(jī)理可能與摩擦產(chǎn)生的電場有關(guān)。FICS效應(yīng)在應(yīng)力記錄如電子簽名、落點(diǎn)監(jiān)測和車輛碰撞監(jiān)測等方面具有重要應(yīng)用前景，基于FICS效應(yīng)的應(yīng)力記錄系統(tǒng)無需連續(xù)供電、結(jié)構(gòu)簡單、能夠?qū)崿F(xiàn)分布式記錄。

同時(shí)，F(xiàn)ICS效應(yīng)也為機(jī)械能轉(zhuǎn)換和儲存提供了一種新的思路，有望應(yīng)用于分布式能量的收集和利用領(lǐng)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(xué)材料學(xué)院莊逸熙，通訊作者為莊逸熙和廈門大學(xué)的解榮軍教授。合作者包括武漢大學(xué)的涂東研究員、中國計(jì)量大學(xué)的王樂教授、中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所的張洪武研究員、中國科學(xué)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(xué)的戴李宗教授。

該項(xiàng)工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃2017YFB0404300、2017YFB0404301，國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目51832005、面上項(xiàng)目51872247、11804255，福建省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目2018J01080及中國科協(xié)“青年人才托舉工程”項(xiàng)目2018QNRC001支持。

責(zé)任編輯：PSY