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《扬州大学报道适用于多种节能应用的超长余辉多色稀土薄膜》

  • 来源专题：关键原材料知识服务平台
  • 编译者： 费鹏飞
  • 发布时间：2025-05-23

  • 3月20日，扬州大学在《Advanced Materials》上发表题为“Multicolor rare-earth film with ultra-long afterglow for diverse energy-saving applications”的论文，报道了适用于多种节能应用的超长余辉多色稀土薄膜。

    稀土余辉材料凭借其独特的光存储特性，在多样化应用中展现出巨大潜力。然而，其广泛应用受限于溶剂兼容性差、发光效率低及单色发光等挑战。研究人员通过将ZnS与多种稀土荧光粉（包括(Sr0.75Ca0.25)S:Eu2+、SrAl2O4:Eu2+,Dy3+及Sr2MgSi2O7:Eu2+,Dy3+）共混，调控深陷阱机制，显著增强余辉性能与光捕获能力。利用静电纺丝技术成功制备大面积（0.4 m×3 m）可调色余辉薄膜，其余辉持续时间超过30小时。该薄膜展现热释光特性，可集成于消防防护服以提升应急可视性。在温室环境中，其有效促进叶绿素合成并优化24 h周期内的植物生长条件。针对隧道与车库应用，薄膜可捕获并存储70 m距离内车辆前照灯光源。该薄膜的可扩展性与成本效益凸显其跨领域实际应用的巨大潜力，标志着可持续照明技术的重大进展。

  • 原文来源：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202417420
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    • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2023-06-30
    • 　光致发光材料在信息安全领域的应用一直备受关注。现已开发出了包括水印、二维码和发光打印等多项防伪技术。然而常见的荧光材料颜色单一且很容易被模仿，更有效的防伪策略是光学特性多维度可调的新型材料，如发射颜色、发射强度以及余辉时长。这些光学特性不仅可以消除背景干扰，并且能够通过颜色和余辉时长的组合来实现多重加密。 　　室温磷光（RTP）材料因其特有的余辉现象被应用于生物成像、信息安全和显示器等。传统的RTP材料合成原料主要涉及稀土离子或重金属来实现磷光，这就导致它们的应用受到高成本或毒性问题的限制。另外在磷光材料的制备过程中必须满足两个先决条件，即发光基团从单重态到三重态的系间跨越（ISC），以及稳定激子三重态同时限制激子非辐射跃迁的刚性结构。满足这两个条件通常需要引入杂原子（如B、F和P）以及通过两步合成法将发光基团固定在刚性结构（聚乙烯醇、SiO2、沸石等）中。然而引入杂原子实现系间跨越过度依赖于前体的选择。此外两步合成法涉及到反应条件的变化，增加了不可控的风险。 　　近日，中国科学院苏州医工所董文飞研究员团队以硅烷为前驱体，首次实现了多色余辉硅基纳米复合物的合成并应用于信息安全领域。如图1所示，该研究选用3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）和N-[3-（三甲氧基硅烷基）丙基]乙二胺（DAMO）作为硅源，同时选用尿素作为另一种前驱体，分别获得余辉为青色（C-SiNDs@UA）和黄色（Y-SiNDs@UA）的RTP材料。 　　该制备过程为一步水热法，有效地避免两步法缺陷的同时也便于原位形成硅纳米点并将其固定在基质中。值得注意的是，硅烷作为前体将Si-C和Si-O键引入硅纳米点（SiNDs）中，这些共价键在减少非辐射弛豫方面起着重要作用。此外，SiNDs还通过多种共价键和氢键与三嗪环结构组成的刚性网络结构连接和固定。这种由刚性结构组成的微环境不仅隔离了外部猝灭剂，而且稳定了内部的三重态激发光子。有趣的是，硅纳米点的磷光特性和刚性网络结构满足磷光共振能量转移（P-FRET）原理的基本条件。因此，该研究通过添加罗丹明6G（Rh 6G）和罗丹明B（Rh B）来有效地调节余辉颜色，并成功地合成了具有橙色（O-SiNDs@UA）和红色（R-SiNDs@UA）余辉现象的RTP材料。 基于上述新型材料所表现出的优异光学性质，研究人员制作了多种加密图案以展示其在防伪技术中的潜在应用。观察发现Y-SiNDs@UA和O-SiNDs@UA在大于600 nm的范围仍有一定的余辉强度，因此使用滤光片（λcut off = 600 nm）可以实现同色但不同余辉时长的组合模式。如图2a所示的防伪模型只有在使用滤光片时的代码会被识别。图2b中，当紫外灯打开或关闭时，仅得到错误的代码1和代码2。但是当紫外线熄灭时，首先使用滤光片读取正确的代码3“BLUEBERRY”。由于三种材料的余辉持续时间不同，Y-SiNDs@UA的红色余辉部分在2秒后首先消失，此时显示代码4“BANANA”。在4秒后显示代码5“DATE”。该防伪策略需要滤光片的辅助才能读取正确的加密内容，可以应用到更高级别的加密场景。 综上所述，该研究证明了以硅烷为前体合成多色余辉材料的创新策略，也为硅基余辉材料的创新应用提供了新的设计原理和见解。该研究成果以“Multi-Color Room Temperature Phosphorescent Silicon-Nanodot-Based Nanocomposites with Silane Tuning and Applications to 5D Information Encryption”为题发表于期刊Chemical Engineering Journal (中国科学院一区，IF：15.1)。博士生柳裕禄为第一作者，董文飞研究员与昝明辉博士为共同通讯作者。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、江苏省自然科学基金等资助。 　　论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144349
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  • 《突破 | 福建物构所全光谱稀土长余辉及光激励多色发光研究获新进展》
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    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2023-11-10
    • 由于长余辉及光激励发光材料独特的能量存储及可控释放特性，在高分辨成像、柔性X射线探测器、多维信息存储及加密防伪等领域具有广阔的应用前景。这类材料一般由基质晶格、发光中心和陷阱捕获中心组成。其中，长余辉材料的陷阱较浅，所捕获的载流子在室温下自发释放；光激励材料的陷阱相对较深，需要光刺激释放出深陷阱中所存储的载流子。陷阱的分布难以调控，关于这两类材料的研究目前主要局限于单一发光类型及有限的发光波段。在同一基质材料中实现多色的长余辉及光激励发光鲜有报道，严重阻碍了相关多功能荧光粉的应用拓展。 鉴于此，中国科学院福建物质结构研究所和闽都创新实验室的陈学元团队涂大涛研究员等通过在Cs2NaGdF6氟化物双钙钛矿材料中引入稀土离子作为发光中心及空穴捕获中心，开发了一类具备深、浅陷阱的新型高效氟化物荧光粉。基于稀土离子独特的能级结构，对陷阱的分布进行了有效调控，首次同时实现了X射线激发的全光谱多色可调的长余辉及光激励发光（图1）。特别地，所开发的荧光粉在停止X射线激发后，余辉时间可长达一周，发光波段可从紫外调控到近红外II区。此外，在停止激发150小时后，在980 nm波长光激发后，材料展现出优异的光激励发光，表明其长时间的能量存储能力。 研究团队通过实验表征及电子结构计算分析，揭示了材料的电子陷阱来源于氟空位，稀土离子掺杂引发晶体场变化，影响氟空位形成。同时，结合稀土离子在基质材料中的能级位置，证明了稀土离子作为空穴捕获中心。不同稀土离子的空穴捕获能力不同，进而表现出不同的长余辉性能。基于稀土掺杂Cs2NaGdF6荧光粉的多色发光特性，团队将其制成柔性耐水薄膜，展示了其多色长余辉发光（PersL）、光激励发光（PSL）以及热激励发光（TSL）特性，证明了该材料在多重防伪应用等方面的广泛应用潜力。 该工作通过引入稀土离子作为发光中心和陷阱捕获中心，在同一基质材料中实现了紫外-近红外II区全光谱可调的长余辉及光激励多色发光，为电子捕获材料的设计开辟了一种新思路，也为多功能荧光粉的开发应用奠定了重要的理论和实验基础。 相应的研究成果以“Engineering Trap Distribution to Achieve Multicolor Persistent and Photostimulated Luminescence from Ultraviolet to Near-Infrared-II”为题发表在《Matter》杂志（Matter, 2023, DOI: 10.1016/j.matt.2023.09.016）。论文的第一作者是中国科学院大学博士研究生汪路平，通讯作者是中国科学院福建物构所/闽都创新实验室涂大涛研究员、陈学元研究员，以及福建农林大学谢知副教授。该工作得到科技部国家重点研发计划稀土新材料专项、国家自然科学基金和福建省基金等项目支持。 图1. 稀土离子掺杂Cs2NaGdF6的陷阱调控、多色余辉发光机理及应用示意图
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