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力致發光

力致發光（mechanoluminescence, ML ）亦翻譯為應力發光，又稱摩擦發光（triboluminescence,TL ）、壓電發光（piezoluminescence）等，是一種古老而又神秘的發光現象，與光致發光、電致發光等發光過程不同，力致發光是物質在受到機械作用（力）而產生的。最早由Francis Bacon 記錄於1605年，其在《Advancement of Learning》中記載了通過刮糖塊能夠觀察到發光。儘管對力致發光已經研究了幾百年，但對其發光機理以及發光過程尚未有統一的理論^[1] 。具有力致發光性質的材料因其在新型光源、顯示和壓力傳感器等領域的應用前景而受到廣泛的關注。

中文名: 力致發光
外文名: mechanoluminescence
別名: 應力發光

別名: 摩擦發光
應用: 光源、顯示、應力傳感及檢測
簡稱: ML、TL

力致發光現象描述

力致發光是指物質在受到機械作用如摩擦、加壓、衝擊、破碎以及超聲等產生的發光現象，其發光光譜位置通常與光致發光一致。截止到2014年，據估計約50%的無機鹽及有機化合物具有力致發光現象。^[7] 1978年，印度科學家B. P. Chandra 提出了一般術語“mechanoluminescence”(Ml)來描述由於機械作用轉移到材料而產生的所有類型的發光。^[2]

力致發光化合物的發展（年份：1998-2021） ^[7]

力致發光分類

根據發光時材料的形變類型可分為破壞性發光(Fracture Mechanoluminescence, FML)、塑性變形發光 (Plastic Mechanoluminescence, PML) 、彈性變形發光 (ElasticMechanoluminescence, EML)，前兩者都屬於破壞性發光，這種發光現象在自然界中普遍存在，如地震、岩石破碎等高能量釋放引起的發光。在基質的彈性變形限度內，彈性力致發光熒光粉由於發光的可重複性以及發光強度與應力大小的規律性關係，使得通過檢測應力發光的分佈而確定應力分佈成為可能，引起人們的極大研究興趣。

僅就無機力致發光化合物而言，其發光顏色範圍已經覆蓋從紫外至近紅外區，如：SrAl2O4:Ce³⁺ (375 nm)，CaYAl3O7: Eu³⁺ (440nm)，BaSi2O2N2: Eu²⁺ (498 nm)，Ca2Nb2O7:Pr³⁺ (620 nm)，CaZnOS: Er³⁺ (515-535 nm, 535-565 nm, 649-679 nm)，Sr2SnO4:Sm³⁺ (570, 582, 610, 624, 665 nm)以及LiNbO3: Nd³⁺ (895 nm)。

EML化合物

有機力致發光化合物特別是金屬有機配合物也表現出優異的力致發光性質，如一種稀土金屬Eu的配合物 EuD₄TEA，其力致發光強度是ZnS:Mn的2倍。很多純有機化合物如四苯乙烯類衍生物、咔唑以及吩噻嗪類衍生物也表現出力致發光性質。^[3]

力致發光研究歷史

1605年，Francis Bacon 在《Advancement of Learning》中記載了通過刮糖塊能夠觀察到發光，這也是最早記載的力致發光現象。

隨後很長一段時間，由於表徵技術手段有限，對力致發光的研究很緩慢。

得益於光電倍增管（PMT）的發展，力致發光的研究在上世紀取得了很快的進展，特別是1999年，Xu CN 等人報道了具有強力致發光強度的ZnS:Mn及SrAl₂O₄:Eu，並將其應用在應力傳感上，促進了力致發光的研究。

具有AIE性質的力致發光化合物

2015年，中山大學池振國教授等人首次報道了具有AIE（聚集誘導發光）性質的力致發光化合物SPFC ^[4] ，由於AIE使其在聚集態也表現出強的熒光性質，也帶來了強的力致發光強度。隨後，其又報道了一系列具有AIE效應的力致發光化合物。

與此同時，武漢大學李振教授也報道了一系列具有AIE效應的力致發光化合物，除此之外，其還首次發現力致磷光現象。

力致發光產生機理

不同材料的力致發光機理具有很大差異，尚無統一的力致發光機理。

以無機力致發光化合物ZnS:Mn為例，一般認為其力致發光主要是因為化合物的非中心對稱晶體結構在受到力刺激時產生壓電勢，進而使價帶和導帶傾斜，陷阱深度降低，進而更容易使電子脱束縛，脱束縛的電子與空穴發生非輻射躍遷複合，該非輻射躍遷的能量傳遞給Mn，使其被激發，隨後發射出585nm左右的黃色光。但並沒有一個公認的理論模型解釋壓電電場對陷阱能級的作用方式。

相較於無機力致發光化合物，對有機力致發光化合物的發光機制的理解更加不足，這主要是因為有機力致發光化合物的發光強度較弱，發光條件較為苛刻（往往需要培養晶體，並且在晶體結構破壞後只有重新生長晶體才能使力致發光恢復）等。有機力致發光化合物的發光機理也大多歸結為晶體的壓電效應導致的電荷積累引起的發光。

力致發光表徵手段

力致發光的表徵手段尚不統一，大多為各自實驗室自制，常見的表徵手段主要為落球法、AFM以及萬能試驗機等。

力致發光分析設備主要包括機械外力產生部分和力致發光信號收集分析部分。至今，已建立了包括壓縮、彎曲、拉伸、衝擊、超聲和壓力脈衝技術等多樣的機械力的產生方式，配合一個分光光度計或者光纖光譜儀來分析樣品的發射信號。

力致發光的主要表徵手段 ^[3]

在大多數情況下，需要對團聚顆粒力致發光化合物的特性進行評估。採用萬能試驗機對樣品施加壓縮力，配合光纖光譜儀來收集力致發光信號是普遍採用的評估材料力致發光的方式。這種方法需要先將待測力致發光熒光粉與透明環氧樹脂混合，固化為一定形狀，尺寸的複合物式樣，通常式樣尺寸為直徑 25 mm，高15 mm，而樹脂與熒光粉的比例可根據熒光粉的特性調節。試驗機施加壓縮力於複合物樣品，環氧樹脂將受到的壓縮力傳遞給分散在其中的粉末樣品。通過控制萬能試驗機施加壓縮力的大小，該測試方式可以定量探究不同壓力與 ML 發光強度的關係^[5] 。

動態加載金剛石對頂砧（dDAC）

上述表徵手段施加的壓力（壓強）通常為兆帕（MPa）級別。尚未在大的壓力尺度上系統研究力致發光材料的力致發光性質。最近，研究人員利用動態加載金剛石對頂砧（dDAC）技術，以典型力致發光材料ZnS:Mn為研究對象，揭示了其在吉帕（GPa）壓力尺度下的壓力誘導發光紅移以及反常強度變換行為，對力致發光材料在極端壓力條件下的機理以及應用研究具有重要意義。^[6]

雖然表徵手段的多種多樣，但缺乏統一的標準來衡量各種表徵手段下的力致發光強度。同時，由於力致發光過程的瞬時性以及低強度等特點，很難實現對力致發光過程的準確及精確的表徵。