中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
傳統(tǒng)傳感材料往往局限于單一物理量的檢測(cè)，而環(huán)境復(fù)雜的實(shí)際場(chǎng)景常需多參數(shù)同步監(jiān)測(cè)。近期，浙大城市學(xué)院的一項(xiàng)突破性研究通過(guò)設(shè)計(jì)新型發(fā)光材料Sr?MgSi?O?:Eu2?/Dy3?（SMSO），成功實(shí)現(xiàn)光致發(fā)光（PL）、應(yīng)力發(fā)光（ML）與長(zhǎng)余輝發(fā)光（PersL）的三重響應(yīng)，并首次將PersL用于壓力傳感，結(jié)合3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)出可編程光學(xué)編碼平臺(tái)，為智能傳感與防偽領(lǐng)域帶來(lái)革新！
一、材料核心創(chuàng)新：三模協(xié)同，突破性能瓶頸
1.應(yīng)力傳感：線(xiàn)性響應(yīng)，寬動(dòng)態(tài)范圍
在3~30 N力學(xué)范圍內(nèi)，ML強(qiáng)度與外力呈線(xiàn)性關(guān)系，歸因于材料中氧空位與Dy3?/Dy2?陷阱態(tài)的協(xié)同作用。這種特性使其可用于應(yīng)力監(jiān)測(cè)預(yù)警、智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。
2. 壓力傳感：從“瞬態(tài)應(yīng)力傳感”到“持續(xù)高壓傳感”
傳統(tǒng)應(yīng)力發(fā)光材料（如硫化物）依賴(lài)瞬時(shí)力學(xué)刺激發(fā)光，而SMSO材料通過(guò)陷阱能級(jí)調(diào)控，在壓力刺激下不僅產(chǎn)生ML信號(hào)，還能通過(guò)PersL實(shí)現(xiàn)秒級(jí)持續(xù)發(fā)光，首次將PersL壽命作為壓力傳感參數(shù)。實(shí)驗(yàn)顯示，其壓力靈敏度高達(dá)42% GPa?1（PL壽命模式），遠(yuǎn)超現(xiàn)有報(bào)道。
3. 溫度傳感：納米級(jí)精度響應(yīng)
SMSO的PL光譜帶寬（FWHM）和壽命對(duì)溫度變化極其敏感：1）FWHM靈敏度：0.05 nm/K，可檢測(cè)微小溫度波動(dòng)；2）PL壽命靈敏度：1.29%/K，適用于寬溫域（-50~300℃）。這種雙參數(shù)響應(yīng)機(jī)制通過(guò)晶體場(chǎng)效應(yīng)和載流子躍遷路徑調(diào)控實(shí)現(xiàn)，為高精度非接觸測(cè)溫提供新方案。
圖1. a) SMSO應(yīng)力發(fā)光實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；b) 輻照后應(yīng)力發(fā)光光譜；c)不同外力下積分發(fā)射信號(hào)（PersL+ML）時(shí)變曲線(xiàn)；d) 24 N下PersL（綠）與PersL+ML（藍(lán)）對(duì)比，粉色區(qū)域?yàn)閼?yīng)力發(fā)光總量；e)應(yīng)力發(fā)光-力線(xiàn)性擬合；f)輻照后3 h發(fā)射光譜；g)輻照后3 h（上）、5 h（下）積分強(qiáng)度-時(shí)間關(guān)系；h) PersL（綠）、30 N加載（藍(lán)）及淬滅后（紫）歸一化光譜；i)PersL+ML（藍(lán)）與ML（紫）、PersL（綠）光譜線(xiàn)性組合的發(fā)射峰對(duì)比。。
圖2. a) 高壓測(cè)量裝置簡(jiǎn)圖；b) 不同壓力下SMSO的歸一化PL發(fā)射光譜；c)發(fā)射峰峰位-壓力關(guān)系；d) 對(duì)應(yīng)的非歸一化PL發(fā)射光譜；e) CIE色度圖示發(fā)射顏色隨壓力變化；f) 發(fā)射帶半峰全寬（FWHM）壓力依賴(lài)性以及絕對(duì)靈敏度曲線(xiàn)；g) 已報(bào)道壓力傳感器壓力靈敏度（dλ/dp）對(duì)比。
二、技術(shù)突破：三模壓力傳感器與光學(xué)編碼
1. 三模壓力傳感器：肉眼可見(jiàn)的“熒光顏色預(yù)警信號(hào)”
SMSO在高壓下（0.5~8.9 GPa）PL發(fā)射峰紅移達(dá)64.3 nm，肉眼可辨顏色從青色漸變至黃綠色。結(jié)合以下模式，靈敏度全面領(lǐng)先：
譜移模式：-297.4 cm?1/GPa（8.11 nm/GPa）；
帶寬模式：272.7 cm?1/GPa（14.8 nm/GPa）；
壽命模式：42% GPa?1（歷史最高）。
2. 3D打印光學(xué)編碼：防偽與信息存儲(chǔ)
通過(guò)將SMSO顆粒嵌入聚合物基質(zhì)，團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)制備出夜視安全標(biāo)志、8位光學(xué)碼及QR碼。PersL特性使這些標(biāo)簽在無(wú)外界光源下持續(xù)發(fā)光數(shù)小時(shí)，且支持光/力雙響應(yīng)加密，為高端防偽和物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)提供新思路。
圖3. 基于含高效PersL的SMSO顆粒3D打印聚合物實(shí)現(xiàn)防偽、夜視安全標(biāo)識(shí)、8位光學(xué)編碼及QR碼應(yīng)用。a) 8×10二進(jìn)制矩陣編碼“AFTER GLOW”信息：PersL非活性單元（0）與活性單元（1）；b) 3D打印設(shè)備制備PersL活性聚合物部件；c) 3D打印PersL安全標(biāo)志（SOS、EXIT）；d) 禁煙、禁拍標(biāo)識(shí)；e) QR碼加密圖案設(shè)計(jì)及光學(xué)圖像（紫外激發(fā)后暗場(chǎng)成像）
三、科學(xué)機(jī)制：陷阱調(diào)控與能量遷移
1. 陷阱能級(jí)設(shè)計(jì)
材料中Eu2?作為發(fā)光中心，Dy3?作為陷阱調(diào)控劑，通過(guò)不等價(jià)摻雜（Eu2?替代Sr2?）引入氧空位，形成深度可控的電子陷阱。外界刺激（光/力/熱）觸發(fā)陷阱中載流子的釋放，產(chǎn)生多模發(fā)光信號(hào)。
2. 動(dòng)態(tài)能量傳遞
光激發(fā)：紫外光激發(fā)Eu2?的4f→5d躍遷，部分能量存儲(chǔ)于Dy3?陷阱；
力學(xué)刺激：應(yīng)力誘導(dǎo)晶格畸變，加速陷阱電子隧穿至發(fā)光中心；
熱擾動(dòng)：溫度變化改變陷阱深度，調(diào)控載流子釋放速率。
圖4. 所開(kāi)發(fā)的SMSO:Eu2?/Dy3?傳感平臺(tái)中簡(jiǎn)化的能量遷移機(jī)制，即PL雙模（溫度與壓力傳感）、PersL模式（壓力檢測(cè)）及ML模式（應(yīng)力傳感）。
四、應(yīng)用前景：從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)
智能穿戴與生物醫(yī)學(xué)
SMSO的近紅外余輝與深組織穿透性可優(yōu)化活體成像；其力學(xué)響應(yīng)特性可用于開(kāi)發(fā)柔性電子皮膚。
工業(yè)安全與航空航天
三模傳感能力適合極端環(huán)境（如高壓艙、發(fā)動(dòng)機(jī)部件）的多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)合3D打印可定制復(fù)雜傳感器網(wǎng)絡(luò)。
光學(xué)信息加密
通過(guò)編程PersL圖案，可設(shè)計(jì)自毀式防偽標(biāo)簽或動(dòng)態(tài)光學(xué)存儲(chǔ)器，應(yīng)對(duì)高端保密需求。
結(jié)語(yǔ)
這項(xiàng)研究不僅突破了傳統(tǒng)發(fā)光材料的性能極限，更通過(guò)多模信號(hào)融合與3D打印技術(shù)的交叉創(chuàng)新，為智能傳感、光學(xué)編碼與防偽領(lǐng)域開(kāi)辟全新方向。未來(lái)，隨著陷阱調(diào)控策略的優(yōu)化和打印精度的提升，此類(lèi)材料有望在物聯(lián)網(wǎng)、人工智能與生物醫(yī)學(xué)工程中發(fā)揮更大價(jià)值！
