Tilføjelse af hukommelse til trykfølsomme phosphorer

Mechanoluminescence (ML) er en type luminescens forårsaget af enhver mekanisk virkning på et fast stof, fører til en række anvendelser inden for materialeforskning, fotonik og optik. For eksempel, den mekaniske virkning kan frigive energi, der tidligere var lagret i krystalgitteret af phosphor via fangede ladningsbærere. Imidlertid, metoden har grænser for registrering af ML-emissioner under en trykinduceret begivenhed. I en ny undersøgelse, Robin R. Petit og et forskerhold på LumiLab, Institut for Solid State Sciences ved Ghent University — Belgien udtænkte en ny teknik til at tilføje en hukommelsesfunktion til trykfølsomme phosphorer. Ved hjælp af metoden, forskerne opnåede en optisk aflæsning af placeringen og intensiteten af ​​en trykbegivenhed tre dage (72 timer) efter begivenheden.

Teamet noterede sig resultatet ved hjælp af europium-dopet bariumsiliciumoxynitrid (BaSiO ₂ N ₂ :Eu ²⁺ ) fosfor, som indeholdt en bred fældedybdefordeling eller defektdybdefordeling - afgørende for den unikke hukommelsesfunktion. De ophidsede elektroner af fosfor fyldte 'fælderne' (eller defekter) i krystalgitteret, som kunne tømmes ved at påføre vægt for at udsende lys. Forskergruppen fusionerede optisk stimuleret luminescens (OSL), termoluminescens (TL) og ML målinger for omhyggeligt at analysere lysets indflydelse, varme og tryk på fældedybdefordelingen. Baseret på hukommelseseffekten, materialerne huskede det sted, hvor der var opstået tryk, hjælpe forskere med at udvikle nye trykfølende applikationer og undersøge ladningsbærerovergange inden for energilagringsfosforer. Værket er nu offentliggjort den Lys:Videnskab og applikationer .

Når specifikke materialer udsættes for mekanisk handling, lysemission kan observeres som mekanoluminescens (ML). Processen kan induceres gennem forskellige former for mekanisk belastning, herunder friktion, knoglebrud, bøjning, påvirkning af en vægt og endda ultralyd, krystallisering og vind. Fænomenet kan bruges til at identificere stressfordeling, mikrosprængudbredelse og strukturelle skader i faste stoffer, mens du tillader en række forskellige applikationer på skærme, at visualisere ultralyd og endda kortlægge personlig håndskrift. Imidlertid, teknikken er begrænset af spektret af emissionsfarver, begrænsning af realtidsmålinger og begrænset signalsynlighed.

Brug af Eu ²⁺ dopet BaSiO ₂ N ₂ fosfor som eksempel, forskerne ophidsede fosforet først med ultraviolet (UV) eller blåt lys for at bringe det i en ophidset tilstand. Når ion transiterede tilbage til grundtilstanden, de observerede en blågrøn emission af farve. Forskere havde tidligere vist, at termisk assisteret detrapping (elektronfjernelse fra en fælde) tillod 'glød-i-mørke' fosfor til sikkerhedsskiltning eller bioimaging-funktioner. Anvendelse af tryk i opsætningen på lignende måde induceret detrapping for termisk og trykinduceret detrapping til at blive konkurrerende processer. Forskerne undgik tilstedeværelsen af ​​baggrundsemission eller efterglød i opsætningen for at øge synligheden af ​​signalet. I dette arbejde, Petit et al. introducerede egenskaben trykhukommelse (P-MEM), hvilket tillod phosphorpartikler, der blev udsat for tryk, at huske processen under infrarød stråling (IR) mere end 72 timer efter trykpåføring.

Teamet undersøgte de underliggende arbejdsprincipper for P-MEM (tryk-hukommelse) ejendommen ved hjælp af et relativt stort udvalg af fældedybder i fosforet, hvor forskellige fælder reagerede forskelligt på specifikke stimuli (tryk, varme, lys). Da de mekanisk fremkaldte detrapping, rekombinerede nogle af ladningsbærerne for at give øjeblikkelig lysemission, mens andre blev omfordelt på tværs af relativt lavvandede fælder eller næsten permanent opbevaret i dybe fælder. For at frigive ladningerne i dybe fælder brugte de IR -stråling. Arbejdet åbner nye muligheder for trykføling og letter studiet af energilagringsfosforer ved at undersøge subtile interaktioner mellem termiske, mekanisk og optisk detrapping.

For at teste ML -testernes reproducerbarhed, forskerne udførte først mekanisk stimulering ved ikke-destruktivt at trække en kugleformet stang hen over overfladen af ​​fosforet. De garanterede reproducerbarheden af ​​målingerne ved at gendanne den oprindelige ML -intensitet efter hvert UV -excitationstrin. Kapaciteten af ​​aktive lagringsfælder forblev uændret på grund af mekanisk stimulering, mens trækprocessen forblev ikke-destruktiv. For at opnå P-MEM-egenskaben, teamet kombinerede mekaniske og optiske stimulationer i laboratoriet, de brugte tryk til at flytte elektronerne og brugte optiske midler til at aflæse resultaterne.

Først, de udsatte krystallen for UV -lys efterfulgt af ML -stimulering ved at trække en stang frem og tilbage flere gange, bestrålede derefter prøven ved hjælp af IR -laseren. Under IR -stimulering, emissionsspektret stammer fra EU ²⁺ selvlysende center i BaSiO ₂ N ₂ . Teamet undersøgte forholdet mellem luminescensintensiteten og størrelsen af ​​belastningen i forsøget; som steg lineært med den påførte belastning. Anvendelse af højere belastninger til mekanisk stimulering tømte flere fælder i krystallen for at frigive flere ladningsbærere. Nogle af de frigivne elektroner rekombineres straks med ioniserede europiumioner for at give det fælles ML -signal.

Efter omfattende test af opsætningen, Petit et al. observerede oprindelsen af ​​P-MEM ved hjælp af termoluminescens (TL) for at afsløre besættelsen af ​​fælder i phosphorer. For det, de opdelte TL-glødkurverne i tre områder indeholdende en lavvandet (25 grader C til 45 grader C), mellemliggende (45 grader C til 80 grader C) og dyb fælderegion (> 80 grader). Resultaterne indebar, at P-MEM-ejendommen var baseret på en omrokeringshændelse for at frigive ladningsbærere, der besatte dybe fældeniveauer.

Det var lige så vigtigt for forskergruppen at visualisere P-MEM-signalet som en funktion af tiden. De opnåede dette ved at udføre et dedikeret eksperiment for at teste indflydelsen fra IR -bestråling og observerede to effekter i forhold til (1) tømning af dybe fældeniveauer, efterfulgt af (2) efterfølgende henfald, der stammer fra den gradvise udtømning af lavtliggende og mellemliggende fældeniveauer. På grund af stabiliteten af ​​dybe fælder, efter optimering af opsætningen, holdet observerede P-MEM-signalet med tilstrækkelig intensitet-tre dage efter påføring af tryk og IR-bestråling assisteret aflæsning.

På denne måde, Robin R. Petit og kolleger detaljerede et specifikt samspil mellem mekanisk og optisk detrapping i BaSiO ₂ N ₂ :Eu ²⁺ , hvilket førte til den unikke P-MEM-egenskab, der blev observeret i undersøgelsen. De genvundet et trykinduceret ML-signal efter IR-bestråling af phosphoren, baseret på de detaljerede interaktioner. Da de foretog optisk detrapping med IR -bestråling, de dybere fælder tømmes hurtigt for at skabe en øget signalstyrke på steder, hvor der tidligere havde været tryk, endda 72 timer mellem trykstimuli og IR -aflæsning. De dybe fælder spillede en væsentlig rolle for at opnå P-MEM-fænomenet og kan forlænges til endnu længere timer.

Værket åbner en ny vej til opbevaring og hentning af oplysninger, mens mekanisk stimulering giver en unik måde at skrive information på. Den beskrevne P-MEM har et stort potentiale inden for strukturelle sundhedsovervågningsapplikationer og inden for biomedicin. De omfattende resultater indikerer, at der stadig er meget, der skal forstås for de indre virkninger af selvlysende fænomener i forhold til detrapping og retrapping routes, berettiger til yderligere dybdegående forskning.

© 2020 Science X Network