背景光辐照下SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)的力致发光性能的实验研究*

周文斌,毛启楠,陈志安,季振国

(杭州电子科技大学材料与环境工程学院,杭州 310018)

背景光辐照下SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)的力致发光性能的实验研究*

周文斌,毛启楠*,陈志安,季振国

(杭州电子科技大学材料与环境工程学院,杭州 310018)

SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)作为一种力致发光材料,因其力致发光强度高而受到广泛的关注。但SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致发光强度随余辉衰减时间延长而减弱,这一特性阻碍了它在应力传感器中的实际应用。针对这一问题,本文采用小球下落冲击法,研究了背景光照射下SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)长余辉发光材料的力致发光特性。相比无背景光条件下的力致发光,采用的365 nm背景光持续辐照SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+),可以使其力致发光强度不受余辉衰减时间影响,并能够提高力致发光强度及灵敏度。这一结果有助于推动SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)在冲击力传感领域的应用。

发光材料;力致发光;背景光辐照;冲击力探测

力致发光是指某些材料受外力(压缩、拉伸、摩擦等)作用下发出可见光的物理现象。具有力致发光特性的材料被认为在应力传感领域拥有广阔的应用前景[1]。相比与其他应力传感器[2],基于力致发光现象的应力传感器具有器件结构简单、灵敏度高、应用场合广等特点。近年来,SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)荧光粉作为一种性能优异的力致发光材料,其在传感器方面的应用研究得到了研究人员的重视,并取得了一些很有意义的结果[3-6]。Yun G J等[1]讨论了SrAl2O4:Eu,Dy受压力载荷的情况下,其力致发光的灵敏度、可重复性,以及力致发光强度随压力载荷大小和施加速率的变化情况。Timilsina S等[7]利用SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)的力致发光性能原位观察了含SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)粉末的丙烯酸树脂标准试样开裂过程中的应力动态分布情况。以上工作都表明了SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)在应力探测方面的可行性。尽管如此,SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)是一种长余辉发光材料,其余辉发光可持续24 h以上[8-10],但是在激发停止后该材料的发光强度I0通常在1 min内会衰减到I0/10[11,12],力致发光强度也会随SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)余辉衰减而下降,这是影响其在传感器领域应用的一个严重问题。Rahimi M R等[4]为解决这一问题,建立了一个模型来描述应力施加条件、SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)余辉衰减时间等实验参数与SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致发光强度间的关系,用以预测材料内部的应力值。然而,在实际应用环境中,关于外界应力施加条件的一些参数难以测定,因而,也就无法进行应力值的准确计算。季振国等[13]在研究SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)光激励发光特性过程中,根据SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)中杂质缺陷能级的分布特点,提出了利用特定波长的背景光辅助辐照获得了时间稳定的红外探测信号,而且探测灵敏度呈数量级的提高。基于类似的原理,我们认为背景光辅助辐照同样适用于SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)长余辉材料的应力测量,克服力致发光强度随余辉时间衰减的问题。为此,本文对SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)的力致发光特性进行了实验研究,并着重对背景光照射情况下的SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致发光特性进行了讨论分析。

1 实验

采用传统的高温固相反应合成SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)发光粉体[14-18],然后将SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)粉体与光学环氧树脂按质量1∶1混合涂覆在聚碳酸酯塑料(PC)上,制备获得SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致发光膜。为了获得SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致发光膜受到外力冲击而产生的发光响应,本文采用小球下落冲击法测量SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致发光特性,相应的测试装置如图1所示。

1.不锈钢小球;2.长余辉发光膜;3.聚碳酸酯塑料;4.硅基光电二极管;5.数据采集卡;6.计算机;7.激发光源图1 背景光辐照力致发光测量装置示意图

测试时,一个10 g的不锈钢小球放置于SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致发光膜的上方,从一定高度自由下落冲击SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)发光膜。SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致发光膜受到外力冲击后,其在原有余辉发光的基础上,能够产生更强的发光,而这一发光增强是由力致发光现象引起的。为了检测SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致发光膜在整个实验过程中的发光情况,采用硅基跨阻放大光电探测器(THORLABS,PDA100A-EC)对力致发光膜的发光强度进行表征。探测器通过内部的硅基光电二极管将光信号转换为电流信号,电流信号再通过放大电路将电流信号放大,并最终以电压信号输出。电压信号由数据采集卡(阿尔泰,USB2813)采集并读出至计算机。因此,SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致发光膜的发光强度通过电压信号的大小进行表示。在力致发光测试中,以365 nm的紫外发光二级管(UV-LED)作为激发光源。无背景光情况下,采用365 nm UV-LED对样品先进行5 min的辐照,此时,SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)的光致发光强度已达到饱和,然后关闭光源,等待SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)余辉发光自然衰减一定的时间后,从一定高度释放小球对SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致发光膜进行冲击。有背景光情况下,采用365 nm UV-LED对样品进行5 min辐照,并在力致发光特性测试过程中继续保持光源的开启状态,期间每隔30 s从一定高度释放小球对SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)力致发光膜进行冲击。在整个测试过程中,测试系统记录SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)发光膜的发光强度随时间的变化情况,并从中得到其力致发光强度的变化情况。

2 结果与讨论

图2为无辅助背景光辐照条件下,SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)的力致发光强度随余辉衰减时间的变化图。图2中,发光曲线的背底信号是由SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)受365 nm UV-LED预辐照后的长余辉发光所产生的,而背底信号上的尖峰是由SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)受冲击力所产生的力致发光所引起的。SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)分别在30 s、60 s、90 s、120 s和150 s的余辉发光后受到小球从一定高度下落产生的冲击,从而产生力致发光。从图中可以看到,随着余辉衰减时间的延长,小球冲击SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)所产生的力致发光信号减弱。可见,同等质量的小球从相同高度下落冲击引起的力致发光信号强度是与SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)的衰减相关。这是由于SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)受365 nm UV-LED的辐照,Eu2+离子4f7电子轨道上的电子获得能量跃迁至4f65d电子轨道,其中部分电子被Dy3+所产生的陷阱俘获;在关闭365 nm UV-LED后,存储在陷阱能级中电子受室温的热激发作用缓慢地从陷阱释放,通过SrAl2O4导带回到Eu2+发光中心发生复合而产生余辉。随着时间的推移,陷阱中的电子数量下降,而力致发光信号强弱是与陷阱中的电子数量有关的。因此,余辉时间的延长会导致力致发光强度的下降。因此,可以认为:长余辉材料可以用来检测冲击的发生,但由于其强度与余辉衰减时间有关,较难作为一种定量的冲击力传感器应用于实际。

图2 无背景光辐照下,SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)的力致发光

图3为在365 nm背景光源辐照下,同一高度多次冲击所获得的数据。图3中的背底信号可归因于SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)在365 nm UV-LED的辐照下所产生的光致发光,而背底信号上的尖峰是其受小球冲击后所产生的力致发光。可见,在背景光的辐照下,每次冲击引起的力致发光强度基本上是相同的,而且力致发光的强度与无背景光辐照衰减30 s后冲击获得的力致发光强度相比有1倍左右的提升。其原因是365 nm背景光源辐照不断激发SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)中的Eu2+离子,使其4f7电子轨道上的电子获得能量跃迁至4f65d电子轨道,其中部分电子被Dy3+所产生的陷阱俘获,对陷阱内电子进行补充。同时,SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)受背景光激发所产生的光致发光过程中,陷阱中的电子又被不断地释放。图3中稳定的背底信号表明,整个过程中陷阱俘获和释放电子的速率达到一个动态平衡状态,从而使得陷阱内的电子始终处于一个恒定数量上。由于力致发光强度与陷阱中的电子数目呈正比[15]。因此,背景光辐照下的力致发光信号能够处于一个稳定的水平。综上所述,背景光辐照能够很好地解决了长余辉发光材料力致发光强度随余辉衰减而减弱的难题,同时也提高了冲击传感的灵敏度。

图3 在365 nm背景光辐照下,SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+) 的力致发光

但是,我们在图3中发现了不正常的负峰。经过分析,我们认为负峰是由于小球接近SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)发光膜时,短暂地遮挡了背景光源所致。为了验证这一推测,设计了一个实验。该实验划分为4个过程,如图4所示,过程1在背景光照射条件下,小球下落冲击,在过程1结束处产生力致发光峰;过程2为小球冲击发光膜后,人为地让小球停留在发光膜上,遮挡辅助背景光的状态,在过程2结束处关闭365 nm UV-LED;过程3为余辉强度继续衰减过程,过程3结束处重新开启365 nm UV-LED,长余辉材料再次受到辐照;在过程4SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)发光膜发光强度恢复至实验开始时强度。因此从图4可以明确看出,小球下落冲击后,由于部分背景光被遮挡,导致余辉衰减信号下降,即图3中的负峰,但是负峰与材料力致发光强度无关。因此,扣除SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)发光基线后的尖峰高度即代表小球冲击长余辉材料时力致发光的强度。

图4 背景光开启,闭合情况下,SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+) 的发光情况

3 结论

采用小球下落冲击法对SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)长余辉发光材料的力致发光特性进行了研究。在365nm背景光持续辐照作用下,SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)的力致发光信号强度可保持稳定,较好地解决了其力致发光强度随余辉时间衰减的关键问题。同时,背景光辐照能够提升力致发光的强度和灵敏度。这一方法有望加速SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)长余辉发光材料在冲击力传感探测领域中的应用。

致谢

本项目得到国家自然科学基金(61372025)、2015年大学生科技创新活动计划(新苗人才计划)(2015R407034)资助。

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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年就读于杭州电子科技大学材料与环境工程学院，主要从事无机稀土长余辉发光材料及性能的研究，zwb＿527674883@qq．com；毛启楠(1983-)，男，浙江宁波人，博士，讲师，2011年于浙江大学获得博士学位。目前，工作于杭州电子科技大学材料与环境工程学院，主要从事无机稀土长余辉发光材料及性能的研究，maoqinan@hdu．edu．cn。

项目来源:国家自然科学基金项目(61372025);2015年大学生科技创新活动计划(新苗人才计划)项目(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