La representación esquemática de la configuración experimental incluye una fuente de excitación UV, una etapa de fricción motorizada, un láser de infrarrojos y una cámara digital. La Cámara, omitido para preservar la claridad, se monta en un ligero ángulo con respecto a la muestra compuesta de fósforo-polímero. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0235-x
La mecanoluminiscencia (ML) es un tipo de luminiscencia inducida por cualquier acción mecánica sobre un sólido, conduciendo a una gama de aplicaciones en la investigación de materiales, fotónica y óptica. Por ejemplo, la acción mecánica puede liberar energía previamente almacenada en la red cristalina de fósforo a través de portadores de carga atrapados. Sin embargo, el método tiene límites cuando se registran las emisiones de NM durante un evento inducido por la presión. En un nuevo estudio, Robin R. Petit y un equipo de investigación del LumiLab, El Departamento de Ciencias del Estado Sólido de la Universidad de Gante, Bélgica, ideó una nueva técnica para agregar una función de memoria a los fósforos sensibles a la presión. Usando el método, los científicos obtuvieron una lectura óptica de la ubicación y la intensidad de un evento de presión tres días (72 horas) después del evento.
El equipo observó el resultado con oxinitruro de silicio de bario dopado con europio (BaSiO 2 norte 2 :UE 2+ ) fósforo, que contenía una distribución de profundidad de trampa amplia o distribución de profundidad de defecto, esencial para la función de memoria única. Los electrones excitados del fósforo llenaron las 'trampas' (o defectos) en la red cristalina, que podría vaciarse aplicando peso para emitir luz. El equipo de investigación fusionó la luminiscencia estimulada ópticamente (OSL), mediciones de termoluminiscencia (TL) y ML para analizar cuidadosamente la influencia de la luz, calor y presión sobre la distribución de la profundidad de la trampa. Basado en el efecto memoria, los materiales recordaban el lugar en el que se había producido la presión, ayudando a los investigadores a desarrollar nuevas aplicaciones de detección de presión y estudiar las transiciones de los portadores de carga dentro de los fósforos de almacenamiento de energía. El trabajo ahora está publicado en Luz:ciencia y aplicaciones .
Cuando materiales específicos están sujetos a acción mecánica, La emisión de luz se puede observar como mecanoluminiscencia (ML). El proceso se puede inducir a través de diferentes tipos de tensión mecánica, incluida la fricción, fractura, doblando impacto de un peso e incluso ultrasonido, cristalización y viento. El fenómeno se puede utilizar para identificar la distribución de la tensión, propagación de microfisuras y daños estructurales en sólidos, al tiempo que permite una variedad de aplicaciones en pantallas, para visualizar ultrasonidos e incluso mapear la escritura personalizada. Sin embargo, la técnica está limitada por la gama de colores de emisión, restricción de las mediciones en tiempo real y visibilidad restringida de la señal.
Reproducibilidad y caracterización espectral. (a) Variación de la intensidad de AG y ML a lo largo de 10 ciclos de excitación UV (1 min), esperando (3 min) y arrastrando la varilla sobre la superficie de la muestra compuesta de fósforo-polímero. Tanto AG como ML están normalizados a sus respectivos promedios. (b) Espectros de emisión bajo excitación en estado estacionario (PL), durante el resplandor crepuscular (AG), en el máximo del pico de brillo de termoluminiscencia (TL), durante la estimulación mecánica (ML) y tras la irradiación con láser infrarrojo (OSL). Para bloquear la emisión láser infrarroja reflejada, se utilizó un filtro de paso de banda, centrado en la banda de emisión de BaSi2O2N2:Eu2 +. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0235-x
Usando Eu 2+ BASIO DROPADO 2 norte 2 fósforo como ejemplo, Los científicos primero excitaron el fósforo con luz ultravioleta (UV) o azul para llevarlo a un estado de excitación. Cuando el ion regresó al estado fundamental, observaron una emisión de color azul verdoso. Los investigadores habían demostrado anteriormente que la eliminación asistida térmicamente (eliminación de electrones de una trampa) permitía fósforos que brillan en la oscuridad para las funciones de señalización de seguridad o bioimagen. La aplicación de presión en la configuración indujo de manera similar la eliminación de trampas para la eliminación de trampas inducida por presión y térmica para convertirse en procesos competitivos. Los científicos evitaron la presencia de emisión de fondo o resplandor en la configuración para aumentar la visibilidad de la señal. En este trabajo, Petit y col. introdujo la propiedad de memoria de presión (P-MEM), lo que permitió que las partículas de fósforo sometidas a presión recordaran el proceso bajo radiación infrarroja (IR) más de 72 horas después de la aplicación de presión.
El equipo investigó los principios de funcionamiento subyacentes de la propiedad P-MEM (presión-memoria) utilizando un rango relativamente grande de profundidades de trampa dentro del fósforo donde diferentes trampas respondían de manera diferente a estímulos específicos (presión, calor, luz). Cuando indujeron mecánicamente la eliminación, algunos de los portadores de carga se recombinaron para producir una emisión de luz inmediata, mientras que otros se redistribuyeron a través de trampas relativamente poco profundas o se almacenaron casi permanentemente en trampas profundas. Para liberar las cargas en trampas profundas, utilizaron radiación IR. El trabajo abre nuevas vías para la detección de presión y facilita el estudio de los fósforos de almacenamiento de energía al sondear interacciones sutiles entre térmicas, Destrape mecánico y óptico.
La propiedad P-MEM. (a) Después de la excitación UV y un tiempo de espera de 3 min, la varilla se arrastró hacia adelante y hacia atrás entre las posiciones y1 e y2 (aproximadamente 20 mm). Media hora despues, un láser de infrarrojos se barrió de izquierda a derecha, durante el cual se tomó la imagen (b). Finalmente, el perfil de intensidad OSL (c) se calculó dentro del área confinada por x1 y x2. Para comparacion, También se indica el perfil de intensidad de ML dentro de la misma zona pero medido durante la aplicación de presión. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0235-x
Para probar la reproducibilidad de las pruebas de ML, Los científicos primero realizaron la estimulación mecánica arrastrando de forma no destructiva una varilla de forma esférica a través de la superficie del fósforo. Garantizaron la reproducibilidad de las medidas recuperando la intensidad ML inicial después de cada paso de excitación UV. La capacidad de las trampas de almacenamiento activas permaneció inalterada debido a la estimulación mecánica, mientras que el proceso de arrastre siguió siendo no destructivo. Para lograr la propiedad P-MEM, el equipo combinó estimulaciones mecánicas y ópticas en el laboratorio, utilizaron presión para mover los electrones y utilizaron medios ópticos para leer los resultados.
Primero, expusieron el cristal a la luz ultravioleta seguida de estimulación ML arrastrando una varilla de un lado a otro varias veces, luego irradió la muestra usando el láser IR. Durante la estimulación IR, el espectro de emisión se originó en la UE 2+ centro luminiscente en BaSiO 2 norte 2 . El equipo investigó la relación entre la intensidad de la luminiscencia y la magnitud de la carga en el experimento; que aumentó linealmente con la carga aplicada. La aplicación de cargas más altas para la estimulación mecánica vació más trampas en el cristal para liberar más portadores de carga. Algunos de los electrones liberados se recombinaron inmediatamente con iones de europio ionizados para producir la señal ML común.
Aumento de la visibilidad de la señal P-MEM. (a) Comportamiento temporal de la señal P-MEM. El recuadro muestra la duración completa del experimento con períodos de resplandor crepuscular (primeros ~ 180 s), estimulación mecánica (~ 180–250 s) e irradiación IR (~ 330–600 s). El área resaltada se muestra en detalle en la figura principal. (b) Efecto de la preirradiación sobre la intensidad de OSL y P-MEM, conduciendo a un aumento del contraste entre ambas señales, como se muestra en el recuadro. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0235-x
Después de probar exhaustivamente la configuración, Petit y col. observaron el origen de P-MEM usando termoluminiscencia (TL) para revelar la ocupación de trampas en fósforos. Para esto, dividieron las curvas de brillo TL en tres regiones que contienen un poco profundo (25 grados C a 45 grados C), intermedia (45 grados C a 80 grados C) y región de trampa profunda (> 80 grados). Los resultados implicaron que la propiedad P-MEM se basó en un evento de reorganización para liberar los portadores de carga que ocupaban niveles de trampa profunda.
Era igualmente importante para el equipo de investigación visualizar la señal P-MEM en función del tiempo. Lo lograron realizando un experimento dedicado para probar la influencia de la irradiación IR y observaron dos efectos relacionados con (1) el vaciado de los niveles de trampa profunda, seguido por la (2) desintegración subsiguiente que se origina por el agotamiento gradual de los niveles de trampas superficiales e intermedias. Debido a la estabilidad de las trampas profundas, después de optimizar la configuración, el equipo observó la señal P-MEM con suficiente intensidad, tres días después de la aplicación de presión y la lectura asistida por irradiación IR.
Explorando los límites de la propiedad P-MEM. a) imagen digital de la muestra durante la irradiación del fósforo con radiación IR 72 h después de la estimulación mecánica, que consta de una secuencia de arrastres. (b) Perfil de intensidad integrado derivado de a, mostrando las intensidades P-MEM correspondientes a 1, 4, 8 y 12 arrastres. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0235-x
De este modo, Robin R. Petit y sus colegas detallaron una interacción específica entre el detrapeado mecánico y óptico en BaSiO 2 norte 2 :UE 2+ , lo que condujo a la propiedad única de P-MEM observada en el estudio. Recuperaron una señal ML inducida por presión después de la irradiación IR del fósforo, basado en las interacciones detalladas. Cuando llevaron a cabo el desencadenamiento óptico con irradiación IR, las trampas más profundas se vaciaron rápidamente para crear una mayor intensidad de la señal en los lugares donde se había producido presión anteriormente, incluso 72 horas entre los estímulos de presión y la lectura de infrarrojos. Las trampas profundas jugaron un papel importante en la obtención del fenómeno P-MEM y pueden extenderse incluso más horas.
El trabajo abre un nuevo camino para el almacenamiento y la recuperación de información, mientras que la estimulación mecánica proporciona una forma única de escribir información. El P-MEM descrito tiene un gran potencial dentro de las aplicaciones de monitoreo de la salud estructural y en biomedicina. Los resultados completos indican que queda mucho por comprender sobre el funcionamiento interno de los fenómenos luminiscentes en relación con las rutas de destrape y reencuadre. lo que justifica una mayor investigación en profundidad.
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