同时具有压电性和压光性的多功能应力发光发电材料LiNbO3:Pr3+

某些固体在沿一定方向受到外力的作用时内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面出现正负相反的电荷。相反，当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质也会发生变形，这种现象称为压电效应（piezoelectric），1880年由法国居里兄弟发现。压电材料具有机械能与电能之间转换和逆转换的功能，所以这种机-电耦合效应使压电材料在工程中得到广泛的应用。

机械力也可以在很多固体中产生光，远在中世纪，人们就发现地震时岩石断裂发光以及刀在方糖表面迅速划过时的摩擦发光现象。根据引起机械发光的机制，机械发光可以分为摩擦发光和形变发光。后者根据形变的程度和可恢复度又可以分为断裂发光（破坏性机械发光）和形变发光（非破坏性机械发光）。非破坏性机械发光包括弹性变形发光和部分塑性变形发光。弹性变形发光，即应力发光，是指材料在受到外部力学刺激的情况下释放出光能的现象，该现象具有发光强度与施加的机械形变能成正比的特点，同时应力发光的这一特性具有极大的应用前景。应力发光的研究始于1990年代末期日本产业技术综合研究所（AIST）的徐超男（Chao-Nan Xu）博士（点击查看介绍）在应力发光材料开发中的突破。她的研究团队已经开发出从远红外到可见光的全光谱高强度应力发光材料，实现了非破坏性应力检测和应力场的可视化，展示了其在人工智能、桥梁建筑物、发电站输油管道等各领域减灾防灾的应用前景。

徐教授的研究团队最近发现，在作为压电材料而广为人知的LiNbO₃母体中加入稀土金属Pr³⁺离子并精确调控Li/Nb比得到LiNbO₃：Pr³⁺材料能发出异乎寻常的红色应力发光（Figure 1）。该应力发光远远超过任何已知压电材料的发光强度，同时具有高敏感性，能无阈值检测极小的应变（Figure 2）。这一同时具有压电性和压光性的多功能高感度应力发光发电材料可谓理想材料，广泛应用于微小的应变检测、损害诊断、电-力-光能转换、光电子多功能控制等方面。

Figure 1. Comparison of ML intensities for Li_xNbO₃:Pr³⁺ with different x values: (a) ML curves and photographs, (b) dependence of ML intensities on the x value, and (c) change of lattice constants with x.

Figure 2. ML response of the Li_1.00NbO₃:Pr³⁺ sheet during five repetitions of the tensile strain test.

这一成果已发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是AIST的JSPS特别研究员涂东博士，通讯作者是AIST的研究室主任徐超男教授。徐超男教授同时兼任九州大学新材料的讲座教授。

该论文作者为：Dong Tu, Chao-Nan Xu, Akihito Yoshida, Masayoshi Fujihala, Jou Hitotsu, Xu-Guang Zheng

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LiNbO₃:Pr³⁺: A multipiezo Material with Simultaneous Piezoelectricity and Sensitive Piezoluminescence

Adv. Mater., 2017, 29, 1606914, DOI: 10.1002/adma.201606914

导师介绍

徐超男

http://www.x-mol.com/university/faculty/45892