La mécanoluminescence (ML) est un type de luminescence induite par toute action mécanique sur un solide, menant à une gamme d'applications dans la recherche sur les matériaux, photonique et optique. Par exemple, l'action mécanique peut libérer de l'énergie préalablement stockée dans le réseau cristallin du phosphore via des porteurs de charge piégés. Cependant, la méthode a des limites lors de l'enregistrement des émissions ML lors d'un événement induit par la pression. Dans une nouvelle étude, Robin R. Petit et une équipe de recherche du LumiLab, Le département des sciences de l'état solide de l'Université de Gand—Belgique a mis au point une nouvelle technique pour ajouter une fonction de mémoire aux luminophores sensibles à la pression. En utilisant la méthode, les scientifiques ont obtenu une lecture optique de l'emplacement et de l'intensité d'un événement de pression trois jours (72 heures) après l'événement.

L'équipe a noté le résultat en utilisant de l'oxynitrure de baryum et de silicium dopé à l'europium (BaSiO 2 N 2 :UE ²⁺ ) phosphore, qui contenait une large distribution de profondeur de piège ou une distribution de profondeur de défaut - essentielle pour la fonction de mémoire unique. Les électrons excités du phosphore ont rempli les « pièges » (ou défauts) du réseau cristallin, qui pourrait être vidé en appliquant un poids pour émettre de la lumière. L'équipe de recherche a fusionné la luminescence stimulée optiquement (OSL), des mesures de thermoluminescence (TL) et ML pour analyser soigneusement l'influence de la lumière, chaleur et pression sur la distribution de profondeur du piège. Basé sur l'effet mémoire, les matériaux se souvenaient de l'endroit où la pression s'était produite, aider les chercheurs à développer de nouvelles applications de détection de pression et à étudier les transitions des porteurs de charge dans les phosphores de stockage d'énergie. L'ouvrage est désormais publié sur Lumière :science et applications .

Lorsque des matériaux spécifiques sont soumis à une action mécanique, l'émission de lumière peut être observée sous forme de mécanoluminescence (ML). Le processus peut être induit par différents types de contraintes mécaniques, notamment le frottement, fracture, pliant, impact d'un poids et même d'une échographie, cristallisation et vent. Le phénomène peut être utilisé pour identifier la distribution des contraintes, propagation de microfissures et dommages structurels dans les solides, tout en permettant une variété d'applications dans les écrans, pour visualiser les ultrasons et même cartographier l'écriture manuscrite personnalisée. Cependant, la technique est limitée par la gamme de couleurs d'émission, restriction des mesures en temps réel et visibilité du signal restreinte.

Utiliser Eu ²⁺ BaSiO dopé 2 N 2 phosphore par exemple, les scientifiques ont d'abord excité le phosphore avec de la lumière ultraviolette (UV) ou bleue pour l'amener dans un état excité. Lorsque l'ion est revenu à l'état fondamental, ils ont observé une émission de couleur bleu-vert. Les chercheurs avaient précédemment montré que le dépiégeage assisté thermiquement (élimination des électrons d'un piège) permettait aux luminophores « lumineux dans le noir » pour la signalisation de sécurité ou les fonctions de bio-imagerie. L'application d'une pression dans l'installation a induit un dépiégeage similaire pour que le dépiégeage thermique et induit par la pression devienne des processus concurrents. Les scientifiques ont évité la présence d'émission de fond ou de rémanence dans la configuration pour augmenter la visibilité du signal. Dans ce travail, Petit et al. introduit la propriété de mémoire de pression (P-MEM), qui a permis aux particules de phosphore soumises à une pression de se souvenir du processus sous rayonnement infrarouge (IR) plus de 72 heures après l'application de la pression.

L'équipe a étudié les principes de fonctionnement sous-jacents de la propriété P-MEM (mémoire de pression) en utilisant une gamme relativement large de profondeurs de piège dans le phosphore où différents pièges ont répondu différemment à des stimuli spécifiques (pression, Chauffer, léger). Lorsqu'ils ont induit mécaniquement le dépiégeage, certains des porteurs de charge se sont recombinés pour produire une émission lumineuse immédiate tandis que d'autres ont été redistribués à travers des pièges relativement peu profonds ou stockés de manière presque permanente dans des pièges profonds. Pour libérer les charges dans des pièges profonds, ils ont utilisé un rayonnement infrarouge. Le travail ouvre de nouvelles voies pour la détection de pression et facilite l'étude des phosphores de stockage d'énergie en sondant les interactions subtiles entre thermique, dépiégeage mécanique et optique.

Pour tester la reproductibilité des tests ML, les scientifiques ont d'abord effectué une stimulation mécanique en faisant glisser de manière non destructive une tige de forme sphérique sur la surface du phosphore. Ils ont garanti la reproductibilité des mesures en récupérant l'intensité ML initiale après chaque étape d'excitation UV. La capacité des pièges de stockage actifs est restée inchangée en raison de la stimulation mécanique, tandis que le processus de traînage est resté non destructif. Pour atteindre la propriété P-MEM, l'équipe a combiné des stimulations mécaniques et optiques en laboratoire, ils ont utilisé la pression pour déplacer les électrons et ont utilisé des moyens optiques pour lire les résultats.

D'abord, ils ont exposé le cristal à la lumière UV suivie d'une stimulation ML en faisant glisser une tige d'avant en arrière plusieurs fois, puis irradié l'échantillon à l'aide du laser IR. Pendant la stimulation infrarouge, le spectre d'émission provenait de l'UE ²⁺ centre luminescent en BaSiO 2 N 2 . L'équipe a étudié la relation entre l'intensité de la luminescence et l'amplitude de la charge dans l'expérience ; qui augmente linéairement avec la charge appliquée. L'application de charges plus élevées pour la stimulation mécanique a vidé plus de pièges dans le cristal pour libérer plus de porteurs de charge. Certains des électrons libérés se sont immédiatement recombinés avec des ions europium ionisés pour produire le signal ML commun.

Après avoir longuement testé la configuration, Petit et al. ont observé l'origine du P-MEM en utilisant la thermoluminescence (TL) pour révéler l'occupation des pièges dans les luminophores. Pour ça, ils ont divisé les courbes TL-glow en trois régions contenant une faible profondeur (25 degrés C à 45 degrés C), zone de piège intermédiaire (45 degrés C à 80 degrés C) et profonde (> 80 degrés). Les résultats impliquaient que la propriété P-MEM était basée sur un événement de remaniement pour libérer les porteurs de charge qui occupaient des niveaux de pièges profonds.

Il était tout aussi important pour l'équipe de recherche de visualiser le signal P-MEM en fonction du temps. Ils y sont parvenus en réalisant une expérience dédiée pour tester l'influence de l'irradiation IR et ont observé deux effets relatifs à (1) la vidange des niveaux de pièges profonds, suivi par la (2) désintégration subséquente provenant de l'épuisement progressif des niveaux de piège peu profonds et intermédiaires. En raison de la stabilité des pièges profonds, après avoir optimisé la configuration, l'équipe a observé le signal P-MEM avec une intensité suffisante, trois jours après l'application de la pression et la lecture assistée par irradiation IR.

De cette façon, Robin R. Petit et ses collègues ont détaillé une interaction spécifique entre le dépiégeage mécanique et optique dans BaSiO 2 N 2 :UE ²⁺ , ce qui a conduit à la propriété P-MEM unique observée dans l'étude. Ils ont récupéré un signal ML induit par la pression après irradiation IR du phosphore, sur la base des interactions détaillées. Lorsqu'ils ont effectué un dépiégeage optique avec irradiation IR, les pièges plus profonds se sont vidés rapidement pour créer une force de signal accrue aux endroits où la pression s'était produite auparavant, même 72 heures entre les stimuli de pression et la lecture IR. Les pièges profonds ont joué un rôle important dans l'obtention du phénomène P-MEM et peuvent être étendus à des heures encore plus longues.

Le travail ouvre une nouvelle voie pour le stockage et la récupération d'informations, tandis que la stimulation mécanique fournit un moyen unique d'écrire des informations. Le P-MEM décrit a un grand potentiel dans les applications de surveillance de la santé structurelle et en biomédecine. Les résultats complets indiquent qu'il reste beaucoup à comprendre sur le fonctionnement interne des phénomènes luminescents relatifs aux itinéraires de dépiégeage et de repiégeage, justifiant d'autres recherches approfondies.

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