電子俘獲材料因其獨特的能量存儲模式和可控的光子釋放方式在光存儲、光傳感等眾多領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。近年來，發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點實驗室張家驊研究員及其團(tuán)隊成員廖川博士聯(lián)合東北師范大學(xué)劉峰教授和美國南佐治亞大學(xué)王笑軍教授在該領(lǐng)域進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，并取得系列創(chuàng)新性成果。
電子俘獲光存儲技術(shù)
電子俘獲光存儲技術(shù)具有多維存儲、柔性存儲、納米級存儲、低功耗、環(huán)境友好等鮮明優(yōu)點。該技術(shù)利用紫外光或X射線將發(fā)光中心基態(tài)電子轉(zhuǎn)移到材料自身的陷阱中實現(xiàn)信息寫入；利用陷阱對電子的俘獲實現(xiàn)信息存儲；利用紅光或近紅外光將陷阱中的電子激勵到發(fā)光中心發(fā)出特征光信號實現(xiàn)信息讀出。然而，分別使用短波和長波光源進(jìn)行信息寫入和讀出導(dǎo)致存儲器的近場結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。
針對此問題，研究團(tuán)隊在國際上率先提出并驗證了一種單波長信息讀寫技術(shù)（圖1）。該技術(shù)利用高功率藍(lán)光激發(fā)下的上轉(zhuǎn)換充能實現(xiàn)信息寫入，利用同一藍(lán)光光源低功率激勵下的光激勵發(fā)光實現(xiàn)信息讀出。這一技術(shù)方案簡化了存儲器的近場結(jié)構(gòu)，為該存儲技術(shù)的集成化和小型化奠定了基礎(chǔ)[1]。
圖1 單波長信息讀寫技術(shù)的設(shè)計
深陷阱可以抑制被俘獲電子的熱釋放，是長期光存儲的必要條件。此前報道的眾多光存儲材料陷阱較淺且有室溫余輝，這不僅干擾了讀出信息的特征光信號，而且限制了存儲時間。研究團(tuán)隊經(jīng)過大量分析和材料篩選發(fā)現(xiàn)Eu2+/3+在釔鋁石榴中可以構(gòu)造高溫深陷阱，其最深陷阱達(dá)到2.37 eV（熱釋發(fā)光曲線的峰值溫度高達(dá)765 K）。利用這些高溫深陷阱實現(xiàn)了室溫長期光信息存儲和室溫零背景信息讀出[2]。
圖2 信息讀寫過程中Y3Al5O12:Tb3+,Eu2+/3+的電子轉(zhuǎn)移途徑
余輝溫度傳感技術(shù)
電子俘獲材料的長余輝發(fā)光是一種非實時激發(fā)的發(fā)光現(xiàn)象，在應(yīng)用時具有零激發(fā)雜散光、零背景熒光和零產(chǎn)熱等鮮明優(yōu)點。研究團(tuán)隊開發(fā)了系列余輝測溫材料，其發(fā)射波長覆蓋紫外到近紅外，以匹配不同的應(yīng)用場景。在Y3Al2Ga3O12:Pr3+中利用Pr3+ 4f15d1態(tài)的紫外發(fā)射帶熱猝滅比3P0的發(fā)射線顯著，構(gòu)造了最高相對靈敏度達(dá)4.12% K-1的余輝溫度計[3]。在Y3Al5O12:Tb3+,Eu2+/3+中通過余輝強(qiáng)度比(Afterglow intensity ratio, AIR)和熒光強(qiáng)度比(Fluorescence intensity ratio, FIR)的差異發(fā)現(xiàn)陷阱與發(fā)光中心的局域關(guān)系（圖3），利用該關(guān)系開發(fā)出相對靈敏度比熒光溫度計高45倍的余輝溫度計[2]。這一發(fā)現(xiàn)也為研究發(fā)光中心與陷阱的關(guān)系開辟了新的方法。
圖3 余輝溫度計與熒光溫度計性能的比較
最近，研究團(tuán)隊又開發(fā)了一種Sm2+激活的長波充能長余輝材料SrAl2Si2O8:Sm2+,Nd3+，揭示了量子隧穿在可見光(包括紅光)充能和深紅色余輝發(fā)射過程中的主導(dǎo)地位（圖4）。利用Sm2+ 4f55d1和5D0能級在余輝過程中的熱耦合，開發(fā)了基于余輝強(qiáng)度比的光學(xué)溫度計，其最高靈敏度在200 K為4.81% K-1，在生理溫度范圍內(nèi)為2.17-1.82% K-1。研究還驗證了該材料在同步生物成像和溫度傳感中的潛在應(yīng)用[4]。
圖4 量子隧穿主導(dǎo)可見光充能
基于對余輝溫度傳感技術(shù)的研究，研究團(tuán)隊從余輝溫度計的性能評估、溫度依賴余輝光譜的物理起源、長余輝材料的充能、存儲和發(fā)射等多個角度對余輝溫度傳感技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性分析，并展望了光激勵發(fā)光、光激勵余輝、力致發(fā)光等現(xiàn)象可能為余輝溫度傳感技術(shù)帶來的新應(yīng)用場景[5]。
以上研究成果以學(xué)術(shù)論文（Laser & Photonics Reviews、Acta Materialia等期刊）、學(xué)術(shù)專著（Wiley-VCH出版社）、發(fā)明專利（ZL202111082090.X、ZL202111323976.9等）、學(xué)位論文[6]等多種形式發(fā)表在國內(nèi)外著名學(xué)術(shù)平臺。
全文鏈接：
[1] Liao C, Wu H, Wu H, et al. Laser & Photonics Reviews, 2023, 17(8): 2300016. https://doi.org/10.1002/lpor.202300016
[2] Liao C, Liu F, Wu H, et al. Laser & Photonics Reviews, 2024, 18(7): 2300924. https://doi.org/10.1002/lpor.202300924
[3] Liao C, Chen F, Wu H, et al. Journal of Materials Chemistry C, 2022, 10(33): 11884-11890. https://doi.org/10.1039/D2TC02417A
[4] Liao C, Liu F, Wu H, et al. Acta Materialia, 2024, 279: 120322. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120322
[5] Liao C, Liu F, X Wang, et al. Persistently Luminescent Materials: From Development to Applications. Chapter 8. ISBN: 978-3-527-35313-2, 2025, Wiley-VCH. https://www.wiley-vch.de/de?option=com_eshop&view=product&isbn=978-3-527-35313-2
[6] 廖川. 面向光存儲與溫度傳感應(yīng)用的電子俘獲材料及其光譜學(xué)研究[D]. 北京: 中國科學(xué)院大學(xué), 2024.
