電子俘獲材料因其獨(dú)特的能量存儲(chǔ)模式和可控的光子釋放方式在光存儲(chǔ)、光傳感等眾多領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。近年來，發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張家驊研究員及其團(tuán)隊(duì)成員廖川博士聯(lián)合東北師范大學(xué)劉峰教授和美國南佐治亞大學(xué)王笑軍教授在該領(lǐng)域進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，并取得系列創(chuàng)新性成果。
 

　　電子俘獲光存儲(chǔ)技術(shù)
 

　　電子俘獲光存儲(chǔ)技術(shù)具有多維存儲(chǔ)、柔性存儲(chǔ)、納米級(jí)存儲(chǔ)、低功耗、環(huán)境友好等鮮明優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)利用紫外光或X射線將發(fā)光中心基態(tài)電子轉(zhuǎn)移到材料自身的陷阱中實(shí)現(xiàn)信息寫入；利用陷阱對(duì)電子的俘獲實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)；利用紅光或近紅外光將陷阱中的電子激勵(lì)到發(fā)光中心發(fā)出特征光信號(hào)實(shí)現(xiàn)信息讀出。然而，分別使用短波和長(zhǎng)波光源進(jìn)行信息寫入和讀出導(dǎo)致存儲(chǔ)器的近場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。
 

　　針對(duì)此問題，研究團(tuán)隊(duì)在國際上率先提出并驗(yàn)證了一種單波長(zhǎng)信息讀寫技術(shù)(圖1)。該技術(shù)利用高功率藍(lán)光激發(fā)下的上轉(zhuǎn)換充能實(shí)現(xiàn)信息寫入，利用同一藍(lán)光光源低功率激勵(lì)下的光激勵(lì)發(fā)光實(shí)現(xiàn)信息讀出。這一技術(shù)方案簡(jiǎn)化了存儲(chǔ)器的近場(chǎng)結(jié)構(gòu)，為該存儲(chǔ)技術(shù)的集成化和小型化奠定了基礎(chǔ)[1]。
 

圖1 單波長(zhǎng)信息讀寫技術(shù)的設(shè)計(jì)
 

　　深陷阱可以抑制被俘獲電子的熱釋放，是長(zhǎng)期光存儲(chǔ)的必要條件。此前報(bào)道的眾多光存儲(chǔ)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(hào)，而且限制了存儲(chǔ)時(shí)間。研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過大量分析和材料篩選發(fā)現(xiàn)Eu2+/3+在釔鋁石榴中可以構(gòu)造高溫深陷阱，其最深陷阱達(dá)到2.37 eV(熱釋發(fā)光曲線的峰值溫度高達(dá)765 K)。利用這些高溫深陷阱實(shí)現(xiàn)了室溫長(zhǎng)期光信息存儲(chǔ)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(zhuǎn)移途徑
 

　　余輝溫度傳感技術(shù)
 

　　電子俘獲材料的長(zhǎng)余輝發(fā)光是一種非實(shí)時(shí)激發(fā)的發(fā)光現(xiàn)象，在應(yīng)用時(shí)具有零激發(fā)雜散光、零背景熒光和零產(chǎn)熱等鮮明優(yōu)點(diǎn)。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了系列余輝測(cè)溫材料，其發(fā)射波長(zhǎng)覆蓋紫外到近紅外，以匹配不同的應(yīng)用場(chǎng)景。在Y3Al2Ga3O12:Pr3+中利用Pr3+ 4f15d1態(tài)的紫外發(fā)射帶熱猝滅比3P0的發(fā)射線顯著，構(gòu)造了最高相對(duì)靈敏度達(dá)4.12% K-1的余輝溫度計(jì)[3]。在Y3Al5O12:Tb3+,Eu2+/3+中通過余輝強(qiáng)度比(Afterglow intensity ratio, AIR)和熒光強(qiáng)度比(Fluorescence intensity ratio, FIR)的差異發(fā)現(xiàn)陷阱與發(fā)光中心的局域關(guān)系(圖3)，利用該關(guān)系開發(fā)出相對(duì)靈敏度比熒光溫度計(jì)高45倍的余輝溫度計(jì)[2]。這一發(fā)現(xiàn)也為研究發(fā)光中心與陷阱的關(guān)系開辟了新的方法。
 

圖3 余輝溫度計(jì)與熒光溫度計(jì)性能的比較
 

　　最近，研究團(tuán)隊(duì)又開發(fā)了一種Sm2+激活的長(zhǎng)波充能長(zhǎng)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(fā)射過程中的主導(dǎo)地位(圖4)。利用Sm2+ 4f55d1和5D0能級(jí)在余輝過程中的熱耦合，開發(fā)了基于余輝強(qiáng)度比的光學(xué)溫度計(jì)，其最高靈敏度在200 K為4.81% K-1，在生理溫度范圍內(nèi)為2.17-1.82% K-1。研究還驗(yàn)證了該材料在同步生物成像和溫度傳感中的潛在應(yīng)用[4]。
 

圖4 量子隧穿主導(dǎo)可見光充能
 

　　基于對(duì)余輝溫度傳感技術(shù)的研究，研究團(tuán)隊(duì)從余輝溫度計(jì)的性能評(píng)估、溫度依賴余輝光譜的物理起源、長(zhǎng)余輝材料的充能、存儲(chǔ)和發(fā)射等多個(gè)角度對(duì)余輝溫度傳感技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性分析，并展望了光激勵(lì)發(fā)光、光激勵(lì)余輝、力致發(fā)光等現(xiàn)象可能為余輝溫度傳感技術(shù)帶來的新應(yīng)用場(chǎng)景[5]。
 

　　以上研究成果以學(xué)術(shù)論文(Laser & Photonics Reviews、Acta Materialia等期刊)、學(xué)術(shù)專著(Wiley-VCH出版社)、發(fā)明專利(ZL202111082090.X、ZL202111323976.9等)、學(xué)位論文[6]等多種形式發(fā)表在國內(nèi)外著名學(xué)術(shù)平臺(tái)。