我院吴明娒教授、周磊副教授团队在力致发光领域取得新进展

力致发光（Mechanoluminescence, ML）材料能将机械力直接转化为光信号，在应力传感、结构健康监测、防伪加密等领域前景广阔。然而，长期以来，如何高效筛选合适的激活剂离子一直依赖经验试错，缺乏普适的设计准则。近日，中山大学吴明娒教授、周磊教授团队与香港城市大学王锋教授合作，在 Advanced Functional Materials上发表研究论文，系统揭示了“自旋允许的宽带吸收决定力致发光效率”的设计原则，并基于接触起电诱导能量转移机制，构建了集应力可视化、X射线成像、光学测温与信息加密于一体的多功能材料平台。

核心发现：宽激发带是高效力致发光的“钥匙”

研究团队系统对比了Bi²⁺、Eu²⁺/³⁺、Tb³⁺、Dy³⁺、Sm³⁺、Er³⁺、Tm³⁺七种激活剂离子在SPO基质中的光致发光（PL）、力致发光（ML）、辐射发光（RL）和阴极发光（CL）性能，发现了两个关键规律：

规律一：PL效率高 ≠ ML效率高。例如，SPO:Eu³⁺的PL量子产率高达78.34%，但ML、RL、CL均较弱；而SPO:Bi的PL量子产率不足0.5%，ML、RL、CL却最强。这说明ML效率并不取决于辐射复合效率，而取决于激发能量的捕获能力。

规律二：宽激发带激活剂普遍更高效。具有自旋允许宽带跃迁吸收的Bi²⁺、Eu²⁺、Tb³⁺在ML、RL、CL中均表现优异；而具有自旋禁戒窄带4f–4f跃迁吸收的Sm³⁺、Er³⁺、Tm³⁺则表现很弱。

为排除掺杂浓度、价态、电荷补偿等混杂因素，团队以Sm³⁺为模型，通过变浓度掺杂与Na⁺/Li⁺电荷补偿对照实验，严格验证了上述结论。

机制阐明：摩擦起电驱动的电子“往返”过程

团队结合压电力显微镜（PFM）、热释光（TL）光谱、摩擦电位测量、变温/变湿ML光谱以及密度泛函理论（DFT）计算，系统排除了压电效应和陷阱控制机制，确认SPO体系的ML由接触起电诱导的能量转移主导。

其物理过程可分为两个阶段：

• 静态接触阶段（DFT计算）：电子从PDMS向SPO表面转移，实现界面电荷平衡；
• 动态分离阶段（摩擦电位测量）：分离后PDMS表面带负电、SPO表面带正电，摩擦电场驱动电子从SPO向PDMS转移，与空穴复合释放能量，最终传递给激活剂离子产生ML。

图1 SPO:Bi与SPO:RE的多模式发光光谱及接触起电诱导ML机制。 (a) SPO:Bi和SPO:RE（RE = Eu、Tb、Dy、Sm、Er、Tm）的PL和PLE光谱。(b) SPO:Bi的PL、ML、RL和CL光谱。(c–e) SPO:Bi和SPO:RE（RE = Eu、Tb、Dy、Sm、Er、Tm）的归一化ML(c)、RL(d)和CL(e)光谱。(f) SPO@PDMS界面电荷密度差（青色为电子耗尽，黄色为电子积累）。(g) 沿z轴的平面平均电子密度差，确认电子由PDMS向SPO定向转移。(h) 电子云模型与接触起电过程示意图。(i) SPO基荧光粉接触起电诱导ML的提出机制。

图2. SPO基力致发光材料在应力可视化与结构健康监测中的应用。

上述研究成果近日以“Mechanoluminescence in Sr₃P₄O₁₃ Enabled by Contact Electrification-Induced Energy Transfer”为题发表在Advanced Functional Materials期刊。通讯作者是中山大学化学工程与技术学院吴明娒教授、周磊副教授、香港城市大学王锋教授。该工作得到国家自然科学基金及其与广东省联合基金等基金和珠海市光电功能材料与膜技术重点实验室的支持。

论文链接https://doi.org/10.1002/adfm.79082