【材料】同時具有壓電性和壓光性的多功能應(yīng)力發(fā)光發(fā)電材料

更新時間：2017-10-19 | 點擊率：3035

ZJ-3型壓電測試儀助力---【材料】同時具有壓電性和壓光性的多功能應(yīng)力發(fā)光發(fā)電材料LiNbO3:Pr3+

【材料】同時具有壓電性和壓光性的多功能應(yīng)力發(fā)光發(fā)電材料LiNbO3:Pr3+

某些固體在沿一定方向受到外力的作用時內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面出現(xiàn)正負相反的電荷。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)（piezoelectric），1880年由法國居里兄弟發(fā)現(xiàn)。壓電材料具有機械能與電能之間轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能，所以這種機-電耦合效應(yīng)使壓電材料在工程中得到廣泛的應(yīng)用。

機械力也可以在很多固體中產(chǎn)生光，遠在中世紀(jì)，人們就發(fā)現(xiàn)地震時巖石斷裂發(fā)光以及刀在方糖表面迅速劃過時的摩擦發(fā)光現(xiàn)象。根據(jù)引起機械發(fā)光的機制，機械發(fā)光可以分為摩擦發(fā)光和形變發(fā)光。后者根據(jù)形變的程度和可恢復(fù)度又可以分為斷裂發(fā)光（破壞性機械發(fā)光）和形變發(fā)光（非破壞性機械發(fā)光）。非破壞性機械發(fā)光包括彈性變形發(fā)光和部分塑性變形發(fā)光。彈性變形發(fā)光，即應(yīng)力發(fā)光，是指材料在受到外部力學(xué)刺激的情況下釋放出光能的現(xiàn)象，該現(xiàn)象具有發(fā)光強度與施加的機械形變能成正比的特點，同時應(yīng)力發(fā)光的這一特性具有極大的應(yīng)用前景。應(yīng)力發(fā)光的研究始于1990年代末期日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）的徐超男（Chao-Nan Xu）博士在應(yīng)力發(fā)光材料開發(fā)中的突破。她的研究團隊已經(jīng)開發(fā)出從遠紅外到可見光的全光譜高強度應(yīng)力發(fā)光材料，實現(xiàn)了非破壞性應(yīng)力檢測和應(yīng)力場的可視化，展示了其在人工智能、橋梁建筑物、發(fā)電站輸油管道等各領(lǐng)域減災(zāi)防災(zāi)的應(yīng)用前景。

徐教授的研究團隊zui近發(fā)現(xiàn)，在作為壓電材料而廣為人知的LiNbO₃母體中加入稀土金屬Pr³⁺離子并調(diào)控Li/Nb比得到LiNbO₃：Pr³⁺材料能發(fā)出異乎尋常的紅色應(yīng)力發(fā)光（Figure 1）。該應(yīng)力發(fā)光遠遠*已知壓電材料的發(fā)光強度，同時具有高敏感性，能無閾值檢測極小的應(yīng)變（Figure 2）。這一同時具有壓電性和壓光性的多功能高感度應(yīng)力發(fā)光發(fā)電材料可謂理想材料，廣泛應(yīng)用于微小的應(yīng)變檢測、損害診斷、電-力-光能轉(zhuǎn)換、光電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.