ZnS基应力发光材料的制备及应用研究

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应力发光是固体材料在机械作用(压缩,拉伸,弯曲,撞击等)下而产生的发光现象。根据应力发光的机械作用力特征可分为摩擦应力发光和形变应力发光两大类别。由于弹性形变应力发光的可重复性强、发光强度与应力大小线性相关度高、能实现无需外加电源的力-光转换的特点,在应力传感和成像,结构损坏监测,可穿戴照明设备,自供电显示器,机械能收集和转换方面具有广泛潜在应用。从而受到越来越多的关注。然而,应力发光材料较低的应力发光强度极大地阻碍了它的实际应用。针对材料的弱应力发光强度以及应用领域的问题,本文选取典型的Zn S基应力发光材料主要开展了以下几部分工作:(1)应用高温固相烧结法制备了Zn S:Mn2+和Zn S:Cu弹性应力发光粉体材料。使用X射线粉末衍射仪,扫描电子显微镜,X射线光电子能谱仪,拉曼光谱仪等仪器对材料的形貌、晶体结构、元素含量等基本材料性质进行表征。(2)通过Li共掺杂增强Zn S:Mn应力发光,系统研究了Li+掺杂浓度对Zn S:Mn2+,Li+的形貌、晶体结构、光致发光、应力发光和量子效率的影响。确定了一定浓度Li+的掺入能有效的改善Zn S:Mn2+的光学性能。前驱体材料分别引入Li+浓度为4 at.%和5 at.%时,Zn S:Mn2+,Li+材料的光致发光和应力发光强度分别达到最强。相比未掺杂Li+的Zn S:Mn2+样品的光致发光和应力发光分别提高了338%和610%。同时采用电子顺磁共振波谱法研究了不同Li+掺杂浓度的样品的硫空位浓度变化趋势,发现应力发光增强与Li+掺杂对硫空位浓度的作用存在关联。(3)将聚二甲基硅烷(PDMS)与Zn S:Cu应力发光粉相复合成功制备了高亮度Zn S:Cu/PDMS应力发光薄膜器件。研究了影响Zn S:Cu/PDMS应力发光薄膜器件的应力发光强度的三个因素(应力发光粉在薄膜中的浓度、薄膜的拉伸形变、薄膜的拉伸频率),得到Zn S:Cu/PDMS应力发光薄膜器件的最佳发光条件为:70%的Zn S:Cu颗粒浓度,40%的拉伸形变,30 Hz的拉伸频率。薄膜的应力发光非常稳定。在25200次的拉伸下,应力发光强度几乎没有减弱。(4)开发了基于Zn S:Cu/PDMS应力发光薄膜的展示器件,应用于水速传感器、照明/显示系统、可穿戴发光器件等领域,并做出相对应的展示,实现了发光传导的能源自驱动器件应用。
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