背景光輻照下SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)的力致發光性能的實驗研究*

周文斌,毛啟楠,陳志安,季振國

(杭州電子科技大學材料與環境工程學院,杭州 310018)

背景光輻照下SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)的力致發光性能的實驗研究*

周文斌,毛啟楠*,陳志安,季振國

(杭州電子科技大學材料與環境工程學院,杭州 310018)

SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)作為一種力致發光材料,因其力致發光強度高而受到廣泛的關注。但SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致發光強度隨余輝衰減時間延長而減弱,這一特性阻礙了它在應力傳感器中的實際應用。針對這一問題,本文采用小球下落沖擊法,研究了背景光照射下SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)長余輝發光材料的力致發光特性。相比無背景光條件下的力致發光,采用的365 nm背景光持續輻照SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+),可以使其力致發光強度不受余輝衰減時間影響,并能夠提高力致發光強度及靈敏度。這一結果有助于推動SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)在沖擊力傳感領域的應用。

發光材料;力致發光;背景光輻照;沖擊力探測

力致發光是指某些材料受外力(壓縮、拉伸、摩擦等)作用下發出可見光的物理現象。具有力致發光特性的材料被認為在應力傳感領域擁有廣闊的應用前景[1]。相比與其他應力傳感器[2],基于力致發光現象的應力傳感器具有器件結構簡單、靈敏度高、應用場合廣等特點。近年來,SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)熒光粉作為一種性能優異的力致發光材料,其在傳感器方面的應用研究得到了研究人員的重視,并取得了一些很有意義的結果[3-6]。Yun G J等[1]討論了SrAl2O4:Eu,Dy受壓力載荷的情況下,其力致發光的靈敏度、可重復性,以及力致發光強度隨壓力載荷大小和施加速率的變化情況。Timilsina S等[7]利用SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)的力致發光性能原位觀察了含SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)粉末的丙烯酸樹脂標準試樣開裂過程中的應力動態分布情況。以上工作都表明了SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)在應力探測方面的可行性。盡管如此,SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)是一種長余輝發光材料,其余輝發光可持續24 h以上[8-10],但是在激發停止后該材料的發光強度I0通常在1 min內會衰減到I0/10[11,12],力致發光強度也會隨SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)余輝衰減而下降,這是影響其在傳感器領域應用的一個嚴重問題。Rahimi M R等[4]為解決這一問題,建立了一個模型來描述應力施加條件、SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)余輝衰減時間等實驗參數與SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致發光強度間的關系,用以預測材料內部的應力值。然而,在實際應用環境中,關于外界應力施加條件的一些參數難以測定,因而,也就無法進行應力值的準確計算。季振國等[13]在研究SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)光激勵發光特性過程中,根據SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)中雜質缺陷能級的分布特點,提出了利用特定波長的背景光輔助輻照獲得了時間穩定的紅外探測信號,而且探測靈敏度呈數量級的提高?；陬愃频脑?我們認為背景光輔助輻照同樣適用于SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)長余輝材料的應力測量,克服力致發光強度隨余輝時間衰減的問題。為此,本文對SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)的力致發光特性進行了實驗研究,并著重對背景光照射情況下的SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致發光特性進行了討論分析。

1 實驗

采用傳統的高溫固相反應合成SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)發光粉體[14-18],然后將SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)粉體與光學環氧樹脂按質量1∶1混合涂覆在聚碳酸酯塑料(PC)上,制備獲得SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致發光膜。為了獲得SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致發光膜受到外力沖擊而產生的發光響應,本文采用小球下落沖擊法測量SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致發光特性,相應的測試裝置如圖1所示。

1.不銹鋼小球;2.長余輝發光膜;3.聚碳酸酯塑料;4.硅基光電二極管;5.數據采集卡;6.計算機;7.激發光源圖1 背景光輻照力致發光測量裝置示意圖

測試時,一個10 g的不銹鋼小球放置于SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致發光膜的上方,從一定高度自由下落沖擊SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)發光膜。SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致發光膜受到外力沖擊后,其在原有余輝發光的基礎上,能夠產生更強的發光,而這一發光增強是由力致發光現象引起的。為了檢測SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致發光膜在整個實驗過程中的發光情況,采用硅基跨阻放大光電探測器(THORLABS,PDA100A-EC)對力致發光膜的發光強度進行表征。探測器通過內部的硅基光電二極管將光信號轉換為電流信號,電流信號再通過放大電路將電流信號放大,并最終以電壓信號輸出。電壓信號由數據采集卡(阿爾泰,USB2813)采集并讀出至計算機。因此,SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致發光膜的發光強度通過電壓信號的大小進行表示。在力致發光測試中,以365 nm的紫外發光二級管(UV-LED)作為激發光源。無背景光情況下,采用365 nm UV-LED對樣品先進行5 min的輻照,此時,SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)的光致發光強度已達到飽和,然后關閉光源,等待SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)余輝發光自然衰減一定的時間后,從一定高度釋放小球對SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致發光膜進行沖擊。有背景光情況下,采用365 nm UV-LED對樣品進行5 min輻照,并在力致發光特性測試過程中繼續保持光源的開啟狀態,期間每隔30 s從一定高度釋放小球對SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致發光膜進行沖擊。在整個測試過程中,測試系統記錄SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)發光膜的發光強度隨時間的變化情況,并從中得到其力致發光強度的變化情況。

2 結果與討論

圖2為無輔助背景光輻照條件下,SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)的力致發光強度隨余輝衰減時間的變化圖。圖2中,發光曲線的背底信號是由SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)受365 nm UV-LED預輻照后的長余輝發光所產生的,而背底信號上的尖峰是由SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)受沖擊力所產生的力致發光所引起的。SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)分別在30 s、60 s、90 s、120 s和150 s的余輝發光后受到小球從一定高度下落產生的沖擊,從而產生力致發光。從圖中可以看到,隨著余輝衰減時間的延長,小球沖擊SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)所產生的力致發光信號減弱?？梢?同等質量的小球從相同高度下落沖擊引起的力致發光信號強度是與SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)的衰減相關。這是由于SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)受365 nm UV-LED的輻照,Eu2+離子4f7電子軌道上的電子獲得能量躍遷至4f65d電子軌道,其中部分電子被Dy3+所產生的陷阱俘獲;在關閉365 nm UV-LED后,存儲在陷阱能級中電子受室溫的熱激發作用緩慢地從陷阱釋放,通過SrAl2O4導帶回到Eu2+發光中心發生復合而產生余輝。隨著時間的推移,陷阱中的電子數量下降,而力致發光信號強弱是與陷阱中的電子數量有關的。因此,余輝時間的延長會導致力致發光強度的下降。因此,可以認為:長余輝材料可以用來檢測沖擊的發生,但由于其強度與余輝衰減時間有關,較難作為一種定量的沖擊力傳感器應用于實際。

圖2 無背景光輻照下,SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)的力致發光

圖3為在365 nm背景光源輻照下,同一高度多次沖擊所獲得的數據。圖3中的背底信號可歸因于SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)在365 nm UV-LED的輻照下所產生的光致發光,而背底信號上的尖峰是其受小球沖擊后所產生的力致發光。可見,在背景光的輻照下,每次沖擊引起的力致發光強度基本上是相同的,而且力致發光的強度與無背景光輻照衰減30 s后沖擊獲得的力致發光強度相比有1倍左右的提升。其原因是365 nm背景光源輻照不斷激發SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)中的Eu2+離子,使其4f7電子軌道上的電子獲得能量躍遷至4f65d電子軌道,其中部分電子被Dy3+所產生的陷阱俘獲,對陷阱內電子進行補充。同時,SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)受背景光激發所產生的光致發光過程中,陷阱中的電子又被不斷地釋放。圖3中穩定的背底信號表明,整個過程中陷阱俘獲和釋放電子的速率達到一個動態平衡狀態,從而使得陷阱內的電子始終處于一個恒定數量上。由于力致發光強度與陷阱中的電子數目呈正比[15]。因此,背景光輻照下的力致發光信號能夠處于一個穩定的水平。綜上所述,背景光輻照能夠很好地解決了長余輝發光材料力致發光強度隨余輝衰減而減弱的難題,同時也提高了沖擊傳感的靈敏度。

圖3 在365 nm背景光輻照下,SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+) 的力致發光

但是,我們在圖3中發現了不正常的負峰。經過分析,我們認為負峰是由于小球接近SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)發光膜時,短暫地遮擋了背景光源所致。為了驗證這一推測,設計了一個實驗。該實驗劃分為4個過程,如圖4所示,過程1在背景光照射條件下,小球下落沖擊,在過程1結束處產生力致發光峰;過程2為小球沖擊發光膜后,人為地讓小球停留在發光膜上,遮擋輔助背景光的狀態,在過程2結束處關閉365 nm UV-LED;過程3為余輝強度繼續衰減過程,過程3結束處重新開啟365 nm UV-LED,長余輝材料再次受到輻照;在過程4SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)發光膜發光強度恢復至實驗開始時強度。因此從圖4可以明確看出,小球下落沖擊后,由于部分背景光被遮擋,導致余輝衰減信號下降,即圖3中的負峰,但是負峰與材料力致發光強度無關。因此,扣除SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)發光基線后的尖峰高度即代表小球沖擊長余輝材料時力致發光的強度。

圖4 背景光開啟,閉合情況下,SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+) 的發光情況

3 結論

采用小球下落沖擊法對SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)長余輝發光材料的力致發光特性進行了研究。在365nm背景光持續輻照作用下,SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)的力致發光信號強度可保持穩定,較好地解決了其力致發光強度隨余輝時間衰減的關鍵問題。同時,背景光輻照能夠提升力致發光的強度和靈敏度。這一方法有望加速SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)長余輝發光材料在沖擊力傳感探測領域中的應用。

致謝

本項目得到國家自然科學基金(61372025)、2015年大學生科技創新活動計劃(新苗人才計劃)(2015R407034)資助。

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Mechanoluminescenceproperty of SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)under Background Light Irradiation*

ZHOUWenbin,MAOQinan*,CHENZhian,JIZhenguo

(Collage of Materials and Environmental Engineering,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China)

As a mechanoluminescence(ML)material,SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)has attracted much attention owing to its strong ML intensity. However,the ML intensity of SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)decreases with the decay time,which hinders its practical application for stress sensing. To solve this problem,a ball impact technique was employed to study the ML property of SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)under background lightillumination in this paper. Compared with ML without background illumination,the ML intensity of SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)irradiated by 365 nm UV-light is notaffected by the decay time,and the intensity and sensitivity of ML are improved,which can promote the application of SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)in the field of impact sensing.

luminescent material;mechanoluminescence;background light illumination;impact sensing

周文斌(1995-)，男，浙江湖州人，2014年就讀于杭州電子科技大學材料與環境工程學院，主要從事無機稀土長余輝發光材料及性能的研究，zwb＿527674883@qq．com；毛啟楠(1983-)，男，浙江寧波人，博士，講師，2011年于浙江大學獲得博士學位。目前，工作于杭州電子科技大學材料與環境工程學院，主要從事無機稀土長余輝發光材料及性能的研究，maoqinan@hdu．edu．cn。

項目來源:國家自然科學基金項目(61372025);2015年大學生科技創新活動計劃(新苗人才計劃)項目(2015R407034)

2016-12-09 修改日期:2017-03-23

TB321;O482.3;TB212.1

A

1004-1699(2017)08-1163-04

C:4220M;7320G

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.08.005