涂东研究员发光材料研究获突破

近期，物理科学与技术学院涂东研究员在近红外应力发光材料研究领域中取得突破，在权威学术期刊《先进材料》(Advanced Materials)上发表论文，题为“铁电性Sr3Sn2O7:Nd3+：一种新型可持续性和超敏度近红外应力发光材料”(Ferroelectric Sr3Sn2O7:Nd3+: A New Multipiezo Material with Ultra-sensitive and Sustainable Near-infrared Piezoluminescence)。

涂东为第一作者，日本产业技术综合研究所徐超男教授为通讯作者，这项工作的合作者还包括加州大学伯克利分校的G.Marriott教授和日本九州工业大学Y. Horibe教授等。

应力发光(Mechanoluminescence)是指固体材料在压缩、拉伸、弯曲、荷重、震荡、切割、剥离、碾磨、刮擦、挤压、冲击等机械受力下产生荧光的一种普遍现象。这种弹性形变范围内的应力引起了发光的成功实现，对于未来的无源光源开发，环境净化，生物显像，应力分布可视化，破坏预知，甚至从微小物品到桥梁大范围的安全性检测都具有重大的潜力。尽管目前应力发光相关研究得到很多研究者的关注，但是目前已开发的应力发光材料的发光波长范围主要集中在380-650 nm之间的紫外和可见光波段，近红外波段(650-1800 nm)的应力发光研究仍然比较缺乏。如果近红外波段发射的应力发光得以实现，这种应力发光材料的开发会对高精度应力检测，高分辨应力传感器和生物显像等多领域的发展将起到至关重要的推动作用。

涂东在其研究中成功开发了具有可持续性和超敏度的近红外应力发光材料Sr3Sn2O7:Nd3+，此材料仅仅利用微应力应变即可实现800-1500nm的近红外应力发光效果，而其铁电特性也有效地提升了应力发光强度，即使在白光照明的条件下，此材料也能够实现微应变级别(低于1000µst)的应力传感。除此之外，本研究还利用Sr3Sn2O7:Nd3+的近红外应力发光效果成功进行了生物组织遮挡下的高对比度成像和生物力学应力传感，其发光强度分布与应力模拟计算的结果展现出很好的一致性(图1)。这项研究展现出近红外应力发光材料在生物力学性能分析方面具有重大的应用潜力，通过生物体外的发光图像的采集和分析，即可以获得生物体内力学性能的有效信息，尤其对诸如小动物髋关节和植入性骨板等在生物体内的应力分析和缺陷检测等应用起到重要推动作用。

图1 Sr3Sn2O7:Nd3+的近红外应力发光与生物透过性应力分析

另外，在铁电光致发光晶体的研究方面，涂东与沙特阿卜杜拉国王科技大学团队合作在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)发表题为“MXenes制备下的铁电光致发光LiNbO3晶体”(Photoluminescent Ferroelectric LiNbO3 Crystals Grown from MXenes)的研究论文。涂东、阿卜杜拉国王科技大学张西祥教授、Husam N. Alshareef教授为本论文的通讯作者。本工作得到了国家自然科学基金项目的资助。

LiNbO3具有出色的铁电性，超高的居里温度，优异的光折变和光伏性能，以及较大的电光和声光系数等特性，在非易失性全息存储，声学镊子，波导等领域具有重要应用价值。此外，稀土元素掺杂的LiNbO3:RE3+晶体在应力发光，和上下转换发光等领域有重要应用前景。目前，合成的LiNbO3以粉末、纳米颗粒和薄膜等形貌为主，稀土掺杂的LiNbO3粉体也主要通过高温烧结合成，以MXene为前驱体通过水热法合成的大尺寸片状LiNbO3铁电晶体和LiNbO3:Pr3+铁电光致发光晶体尚未报道。本研究报道了以Nb2CMXene为前驱体，通过表面活性剂调节晶体生长，合成片状LiNbO3晶体和稀土元素掺杂LiNbO3:Pr3+光致发光晶体的全新路径(图2)，通过生长光致发光铁电LiNbO3晶体进一步证明了MXene的材料广泛应用前景。这项工作不仅为合成取向良好的上下转换发光晶体提供了一种崭新的方式表明，同时也为拓展MXenes材料的多元化应用，提供了新的思路。

图2 利用Nb2C MXene 作为前驱体合成LiNbO3:Pr3+光致发光晶体示意图

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