周文斌,毛啟楠,陳志安,季振國

(杭州電子科技大學(xué)材料與環(huán)境工程學(xué)院,杭州 310018)

背景光輻照下SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)的力致發(fā)光性能的實(shí)驗(yàn)研究*

周文斌,毛啟楠*,陳志安,季振國

(杭州電子科技大學(xué)材料與環(huán)境工程學(xué)院,杭州 310018)

SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)作為一種力致發(fā)光材料,因其力致發(fā)光強(qiáng)度高而受到廣泛的關(guān)注。但SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致發(fā)光強(qiáng)度隨余輝衰減時(shí)間延長而減弱,這一特性阻礙了它在應(yīng)力傳感器中的實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)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(fā)光材料的力致發(fā)光特性。相比無背景光條件下的力致發(fā)光,采用的365 nm背景光持續(xù)輻照SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+),可以使其力致發(fā)光強(qiáng)度不受余輝衰減時(shí)間影響,并能夠提高力致發(fā)光強(qiáng)度及靈敏度。這一結(jié)果有助于推動(dòng)SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)在沖擊力傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。

發(fā)光材料;力致發(fā)光;背景光輻照;沖擊力探測

力致發(fā)光是指某些材料受外力(壓縮、拉伸、摩擦等)作用下發(fā)出可見光的物理現(xiàn)象。具有力致發(fā)光特性的材料被認(rèn)為在應(yīng)力傳感領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景[1]。相比與其他應(yīng)力傳感器[2],基于力致發(fā)光現(xiàn)象的應(yīng)力傳感器具有器件結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、應(yīng)用場合廣等特點(diǎn)。近年來,SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)熒光粉作為一種性能優(yōu)異的力致發(fā)光材料,其在傳感器方面的應(yīng)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(jié)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(fā)光的靈敏度、可重復(fù)性,以及力致發(fā)光強(qiáng)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(fā)光性能原位觀察了含SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)粉末的丙烯酸樹脂標(biāo)準(zhǔn)試樣開裂過程中的應(yīng)力動(dòng)態(tài)分布情況。以上工作都表明了SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)在應(yīng)力探測方面的可行性。盡管如此,SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)是一種長余輝發(fā)光材料,其余輝發(fā)光可持續(xù)24 h以上[8-10],但是在激發(fā)停止后該材料的發(fā)光強(qiáng)度I0通常在1 min內(nèi)會(huì)衰減到I0/10[11,12],力致發(fā)光強(qiáng)度也會(huì)隨SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)余輝衰減而下降,這是影響其在傳感器領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)嚴(yán)重問題。Rahimi M R等[4]為解決這一問題,建立了一個(gè)模型來描述應(yīng)力施加條件、SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)余輝衰減時(shí)間等實(shí)驗(yàn)參數(shù)與SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致發(fā)光強(qiáng)度間的關(guān)系,用以預(yù)測材料內(nèi)部的應(yīng)力值。然而,在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中,關(guān)于外界應(yīng)力施加條件的一些參數(shù)難以測定,因而,也就無法進(jìn)行應(yīng)力值的準(zhǔn)確計(jì)算。季振國等[13]在研究SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)光激勵(lì)發(fā)光特性過程中,根據(jù)SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)中雜質(zhì)缺陷能級(jí)的分布特點(diǎn),提出了利用特定波長的背景光輔助輻照獲得了時(shí)間穩(wěn)定的紅外探測信號(hào),而且探測靈敏度呈數(shù)量級(jí)的提高?；陬愃频脑?我們認(rèn)為背景光輔助輻照同樣適用于SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)長余輝材料的應(yīng)力測量,克服力致發(fā)光強(qiáng)度隨余輝時(shí)間衰減的問題。為此,本文對(duì)SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)的力致發(fā)光特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,并著重對(duì)背景光照射情況下的SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致發(fā)光特性進(jìn)行了討論分析。

1 實(shí)驗(yàn)

采用傳統(tǒng)的高溫固相反應(yīng)合成SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)發(fā)光粉體[14-18],然后將SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)粉體與光學(xué)環(huán)氧樹脂按質(zhì)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(fā)光膜。為了獲得SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致發(fā)光膜受到外力沖擊而產(chǎn)生的發(fā)光響應(yīng),本文采用小球下落沖擊法測量SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致發(fā)光特性,相應(yīng)的測試裝置如圖1所示。

1.不銹鋼小球;2.長余輝發(fā)光膜;3.聚碳酸酯塑料;4.硅基光電二極管;5.數(shù)據(jù)采集卡;6.計(jì)算機(jī);7.激發(fā)光源圖1 背景光輻照力致發(fā)光測量裝置示意圖

測試時(shí),一個(gè)10 g的不銹鋼小球放置于SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致發(fā)光膜的上方,從一定高度自由下落沖擊SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)發(fā)光膜。SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致發(fā)光膜受到外力沖擊后,其在原有余輝發(fā)光的基礎(chǔ)上,能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的發(fā)光,而這一發(fā)光增強(qiáng)是由力致發(fā)光現(xiàn)象引起的。為了檢測SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致發(fā)光膜在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的發(fā)光情況,采用硅基跨阻放大光電探測器(THORLABS,PDA100A-EC)對(duì)力致發(fā)光膜的發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行表征。探測器通過內(nèi)部的硅基光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào),電流信號(hào)再通過放大電路將電流信號(hào)放大,并最終以電壓信號(hào)輸出。電壓信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡(阿爾泰,USB2813)采集并讀出至計(jì)算機(jī)。因此,SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致發(fā)光膜的發(fā)光強(qiáng)度通過電壓信號(hào)的大小進(jìn)行表示。在力致發(fā)光測試中,以365 nm的紫外發(fā)光二級(jí)管(UV-LED)作為激發(fā)光源。無背景光情況下,采用365 nm UV-LED對(duì)樣品先進(jìn)行5 min的輻照,此時(shí),SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)的光致發(fā)光強(qiáng)度已達(dá)到飽和,然后關(guān)閉光源,等待SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)余輝發(fā)光自然衰減一定的時(shí)間后,從一定高度釋放小球?qū)rAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致發(fā)光膜進(jìn)行沖擊。有背景光情況下,采用365 nm UV-LED對(duì)樣品進(jìn)行5 min輻照,并在力致發(fā)光特性測試過程中繼續(xù)保持光源的開啟狀態(tài),期間每隔30 s從一定高度釋放小球?qū)rAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致發(fā)光膜進(jìn)行沖擊。在整個(gè)測試過程中,測試系統(tǒng)記錄SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)發(fā)光膜的發(fā)光強(qiáng)度隨時(shí)間的變化情況,并從中得到其力致發(fā)光強(qiáng)度的變化情況。

2 結(jié)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(fā)光強(qiáng)度隨余輝衰減時(shí)間的變化圖。圖2中,發(fā)光曲線的背底信號(hào)是由SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)受365 nm UV-LED預(yù)輻照后的長余輝發(fā)光所產(chǎn)生的,而背底信號(hào)上的尖峰是由SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)受沖擊力所產(chǎn)生的力致發(fā)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(fā)光后受到小球從一定高度下落產(chǎn)生的沖擊,從而產(chǎn)生力致發(fā)光。從圖中可以看到,隨著余輝衰減時(shí)間的延長,小球沖擊SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)所產(chǎn)生的力致發(fā)光信號(hào)減弱?？梢?同等質(zhì)量的小球從相同高度下落沖擊引起的力致發(fā)光信號(hào)強(qiáng)度是與SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)的衰減相關(guān)。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(chǎn)生的陷阱俘獲;在關(guān)閉365 nm UV-LED后,存儲(chǔ)在陷阱能級(jí)中電子受室溫的熱激發(fā)作用緩慢地從陷阱釋放,通過SrAl2O4導(dǎo)帶回到Eu2+發(fā)光中心發(fā)生復(fù)合而產(chǎn)生余輝。隨著時(shí)間的推移,陷阱中的電子數(shù)量下降,而力致發(fā)光信號(hào)強(qiáng)弱是與陷阱中的電子數(shù)量有關(guān)的。因此,余輝時(shí)間的延長會(huì)導(dǎo)致力致發(fā)光強(qiáng)度的下降。因此,可以認(rèn)為:長余輝材料可以用來檢測沖擊的發(fā)生,但由于其強(qiáng)度與余輝衰減時(shí)間有關(guān),較難作為一種定量的沖擊力傳感器應(yīng)用于實(shí)際。

圖2 無背景光輻照下,SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)的力致發(fā)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(shù)據(jù)。圖3中的背底信號(hào)可歸因于SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)在365 nm UV-LED的輻照下所產(chǎn)生的光致發(fā)光,而背底信號(hào)上的尖峰是其受小球沖擊后所產(chǎn)生的力致發(fā)光?？梢?在背景光的輻照下,每次沖擊引起的力致發(fā)光強(qiáng)度基本上是相同的,而且力致發(fā)光的強(qiáng)度與無背景光輻照衰減30 s后沖擊獲得的力致發(fā)光強(qiáng)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(fā)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(chǎn)生的陷阱俘獲,對(duì)陷阱內(nèi)電子進(jìn)行補(bǔ)充。同時(shí),SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)受背景光激發(fā)所產(chǎn)生的光致發(fā)光過程中,陷阱中的電子又被不斷地釋放。圖3中穩(wěn)定的背底信號(hào)表明,整個(gè)過程中陷阱俘獲和釋放電子的速率達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),從而使得陷阱內(nèi)的電子始終處于一個(gè)恒定數(shù)量上。由于力致發(fā)光強(qiáng)度與陷阱中的電子數(shù)目呈正比[15]。因此,背景光輻照下的力致發(fā)光信號(hào)能夠處于一個(gè)穩(wěn)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(fā)光材料力致發(fā)光強(qiáng)度隨余輝衰減而減弱的難題,同時(shí)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(fā)光

但是,我們在圖3中發(fā)現(xiàn)了不正常的負(fù)峰。經(jīng)過分析,我們認(rèn)為負(fù)峰是由于小球接近SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)發(fā)光膜時(shí),短暫地遮擋了背景光源所致。為了驗(yàn)證這一推測,設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)劃分為4個(gè)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(jié)束處產(chǎn)生力致發(fā)光峰;過程2為小球沖擊發(fā)光膜后,人為地讓小球停留在發(fā)光膜上,遮擋輔助背景光的狀態(tài),在過程2結(jié)束處關(guān)閉365 nm UV-LED;過程3為余輝強(qiáng)度繼續(xù)衰減過程,過程3結(jié)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(fā)光膜發(fā)光強(qiáng)度恢復(fù)至實(shí)驗(yàn)開始時(shí)強(qiáng)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(dǎo)致余輝衰減信號(hào)下降,即圖3中的負(fù)峰,但是負(fù)峰與材料力致發(fā)光強(qiáng)度無關(guān)。因此,扣除SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)發(fā)光基線后的尖峰高度即代表小球沖擊長余輝材料時(shí)力致發(fā)光的強(qiáng)度。

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

3 結(jié)論

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

致謝

本項(xiàng)目得到國家自然科學(xué)基金(61372025)、2015年大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃(新苗人才計(jì)劃)(2015R407034)資助。

[1]Peng D,Chen B,Wang F. Recent Advances in Doped Mechanoluminescent Phosphors[J]. Chempluschem,2015,80(8):1209-1215.

[2]石延平,劉成文,倪立學(xué). 基于非晶態(tài)合金的動(dòng)態(tài)軌道衡壓磁電感式應(yīng)力傳感器的研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2009,22(12):1704-1708.

[3]Lin Y H,Dang Z M,Deng Y,et al. Studies on Mechanoluminescence from SrAl2O4:Eu,Dy Phosphor[J]. Materials Chemistry and Physics,2003,80(1):20-22.

[4]Rahimi M R,Yun G J,Choi J S. A Predictive Mechanoluminescence Transduction Model for Thin-Film SrAl2O4:Eu2+,Dy3+(SAOED)Stress Sensor[J]. Acta Materialia,2014,77(4):200-211.

[5]Fujio Y,Xu C N,Terasawa Y,et al. Sheet Sensor Using SrAl2O4:Eu Mechanoluminescent Material for Visualizing Inner Crack of High-Pressure Hydrogen Vessel[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2016,41(2):1333-1340.

[6]Jha P. Effect of UV Irradiation on Different Types of Luminescence of SrAl2O4:Eu,Dy Phosphors[J]. Luminescence:The Journal of Biological and Chemical Luminescence,2016,31(7):1302-1305.

[7]Timilsina S,Lee K H,Kwon Y N,et al. Optical Evaluation of in Situ Crack Propagation by Using Mechanoluminescence of SrAl2O4:Eu2+,Dy3+[J]. Journal of the American Ceramic Society,2015,98(7):2197-2204.

[8]Ji Z,Tian S,Chen W,et al. Enhanced Long Lasting Persistent Luminescent SrAl2O4:Eu,Dy Ceramics Prepared by Electron Beam Bombardment[J]. Radiation Measurements,2013,59(59):210-213.

[9]Matsuzawa T,Aoki Y,Takeuchi N,et al. A New Long Phosphorescent Phosphor with High Brightness,SrAl2O4:Eu2+,Dy3+[J]. Journal of the Electrochemical Society,1996,143(8):L243-L245.

[10]羅昔賢,段錦霞,林廣旭,等. 新型硅酸鹽長余輝發(fā)光材料[J]. 發(fā)光學(xué)報(bào),2003,24(2):165-170.

[11]Bisen D P,Sharma R. Mechanoluminescence Properties of SrAl2O4:Eu2+Phosphor by Combustion Synthesis[J]. Luminescence,2016,31(2):394-400.

[12]Roh Y A,Song Y H,Masaki T,et al. Synthesis of Eu,Dy Co-Doped SrAl2O4Phosphors by Using Liquid Phase Precursor Process[J]. Journal of Ceramic Processing Research,2016,17(4):300-303.

[13]Ji Z G,Bao W H,Mao Q N,et al. Background Illumination Enhanced Photo-Stimulated Up-Conversion Emission in Persistent Luminescent SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)[J]. Ceramics International,2015,41(9):11646-11650.

[14]Tao Q,Ji Z G,Zhe K,et al. Preparation and Optimization of Long Persistent Luminescent Sr4Al14O25:(Eu,Dy)Phosphor Materials[J]. Journal of Inorganic Materials,2012,27(12):1341-1344.

[15]Chandra B P,Chandra V K,Mahobia S K,et al. Real-Time Mechanoluminescence Sensing of the Amplitude and Duration of Impact Stress[J]. Sensors and Actuators A Physical,2012,173(1):9-16.

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(xué)材料與環(huán)境工程學(xué)院，主要從事無機(jī)稀土長余輝發(fā)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(xué)獲得博士學(xué)位。目前，工作于杭州電子科技大學(xué)材料與環(huán)境工程學(xué)院，主要從事無機(jī)稀土長余輝發(fā)光材料及性能的研究，maoqinan@hdu．edu．cn。

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61372025);2015年大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃(新苗人才計(jì)劃)項(xiàng)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