長春光機所在面向光存儲與光傳感應用的電子俘獲材料研究中取得系列進展

　　【儀表網 研發快訊】電子俘獲材料因其獨特的能量存儲模式和可控的光子釋放方式在光存儲、光傳感等眾多領域受到廣泛關注。近年來，發光學及應用國家重點實驗室張家驊研究員及其團隊成員廖川博士聯合東北師范大學劉峰教授和美國南佐治亞大學王笑軍教授在該領域進行了系統性研究，并取得系列創新性成果。
 

　　電子俘獲光存儲技術
 

　　電子俘獲光存儲技術具有多維存儲、柔性存儲、納米級存儲、低功耗、環境友好等鮮明優點。該技術利用紫外光或X射線將發光中心基態電子轉移到材料自身的陷阱中實現信息寫入；利用陷阱對電子的俘獲實現信息存儲；利用紅光或近紅外光將陷阱中的電子激勵到發光中心發出特征光信號實現信息讀出。然而，分別使用短波和長波光源進行信息寫入和讀出導致存儲器的近場結構復雜化。
 

　　針對此問題，研究團隊在國際上率先提出并驗證了一種單波長信息讀寫技術(圖1)。該技術利用高功率藍光激發下的上轉換充能實現信息寫入，利用同一藍光光源低功率激勵下的光激勵發光實現信息讀出。這一技術方案簡化了存儲器的近場結構，為該存儲技術的集成化和小型化奠定了基礎[1]。
 

圖1 單波長信息讀寫技術的設計
 

　　深陷阱可以抑制被俘獲電子的熱釋放，是長期光存儲的必要條件。此前報道的眾多光存儲材料陷阱較淺且有室溫余輝，這不僅干擾了讀出信息的特征光信號，而且限制了存儲時間。研究團隊經過大量分析和材料篩選發現Eu2+/3+在釔鋁石榴中可以構造高溫深陷阱，其最深陷阱達到2.37 eV(熱釋發光曲線的峰值溫度高達765 K)。利用這些高溫深陷阱實現了室溫長期光信息存儲和室溫零背景信息讀出[2]。
 

圖2 信息讀寫過程中Y3Al5O12:Tb3+,Eu2+/3+的電子轉移途徑
 

　　余輝溫度傳感技術
 

　　電子俘獲材料的長余輝發光是一種非實時激發的發光現象，在應用時具有零激發雜散光、零背景熒光和零產熱等鮮明優點。研究團隊開發了系列余輝測溫材料，其發射波長覆蓋紫外到近紅外，以匹配不同的應用場景。在Y3Al2Ga3O12:Pr3+中利用Pr3+ 4f15d1態的紫外發射帶熱猝滅比3P0的發射線顯著，構造了最高相對靈敏度達4.12% K-1的余輝溫度計[3]。在Y3Al5O12:Tb3+,Eu2+/3+中通過余輝強度比(Afterglow intensity ratio, AIR)和熒光強度比(Fluorescence intensity ratio, FIR)的差異發現陷阱與發光中心的局域關系(圖3)，利用該關系開發出相對靈敏度比熒光溫度計高45倍的余輝溫度計[2]。這一發現也為研究發光中心與陷阱的關系開辟了新的方法。
 

圖3 余輝溫度計與熒光溫度計性能的比較
 

　　最近，研究團隊又開發了一種Sm2+激活的長波充能長余輝材料SrAl2Si2O8:Sm2+,Nd3+，揭示了量子隧穿在可見光(包括紅光)充能和深紅色余輝發射過程中的主導地位(圖4)。利用Sm2+ 4f55d1和5D0能級在余輝過程中的熱耦合，開發了基于余輝強度比的光學溫度計，其最高靈敏度在200 K為4.81% K-1，在生理溫度范圍內為2.17-1.82% K-1。研究還驗證了該材料在同步生物成像和溫度傳感中的潛在應用[4]。
 

圖4 量子隧穿主導可見光充能
 

　　基于對余輝溫度傳感技術的研究，研究團隊從余輝溫度計的性能評估、溫度依賴余輝光譜的物理起源、長余輝材料的充能、存儲和發射等多個角度對余輝溫度傳感技術進行了系統性分析，并展望了光激勵發光、光激勵余輝、力致發光等現象可能為余輝溫度傳感技術帶來的新應用場景[5]。
 

　　以上研究成果以學術論文(Laser & Photonics Reviews、Acta Materialia等期刊)、學術專著(Wiley-VCH出版社)、發明專利(ZL202111082090.X、ZL202111323976.9等)、學位論文[6]等多種形式發表在國內外著名學術平臺。