中国海洋大学在近红外应力发光研究领域取得新进展

 近日，中国海洋大学信息科学与工程学部物理与光电工程学院张君诚教授团队在国际学术期刊Advanced Materials（《先进材料》）发表题为“Dual-Window Broadband Near-Infrared Mechanoluminescence in MgO-Based Phosphors”（MgO基发光体的双窗口宽带近红外应力发光）的最新研究成果。系统研究了氧化镁基材料在近红外波段的应力发光行为，并对其发光调控机制及物理起源进行了分析。

应力发光是指材料在受到摩擦、压缩、拉伸等机械作用时产生光辐射的物理现象，其本质涉及机械能向光能的直接转换过程，在应力状态表征、结构状态监测以及生物力学相关研究中具有重要研究意义。相较于可见光波段，近红外波段光辐射具有散射较弱、背景干扰较低以及对生物组织穿透能力较强等特点，因此近红外应力发光材料近年来受到持续关注。然而，已有研究表明，近红外一区应力发光材料普遍存在发射带宽较窄、实验条件受限等问题；而近红外二区材料则多依赖特定发光中心或复杂的能量传递过程，其发光效率和稳定性仍有进一步探究空间，上述因素在一定程度上制约了对其物理机制的系统理解。

围绕上述问题，研究团队构建了以铬离子和镍离子为发光中心的氧化镁基应力发光材料体系，对其在不同机械刺激条件下的发光行为开展了系统实验研究。结果表明，掺杂铬离子的氧化镁材料在摩擦、碰撞、拉伸、压缩、弯曲及扭转等多种机械作用下均可产生稳定的近红外一区发光（700–1000 nm），且发射带宽可随掺杂浓度变化进行连续调控；掺杂镍离子的氧化镁材料则表现出覆盖近红外二区（1000–1700 nm）的宽带发光特性，并可在环境光条件下实现直接观测。在机理分析方面，研究结果表明，应力发光过程与局部电极化、电荷分离行为以及界面摩擦效应等因素相关；发射光谱的变化则与晶体场环境调控及晶格结构畸变密切相关。进一步的共掺杂实验对比分析了光激发与机械激发条件下的发光行为差异，揭示了不同激发方式下的能量转换路径的差异性，为理解中心对称氧化物体系中的力—光转换机制提供了实验依据。在此基础上，研究团队通过暗场与明场条件下的实验演示，对近红外应力发光在应力分布可视化和生物力学成像中的表现进行了展示，验证了该类材料在复杂环境条件下的可探测性与稳定性（图1）。

图1. 近红外应力发光在暗场和明场环境下的应力分布可视化和生物力学成像实验展示

论文第一作者为中国海洋大学2022级博士研究生蔡忆雨，通讯作者为张君诚教授，中国海洋大学为唯一通讯单位。研究工作得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金以及中央高校基本科研业务费等项目的资助。

文：张君诚

文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202522739