实验室陈东丹副教授团队：基于力致发光材料的柔性光纤应力/温度双模传感

力致发光（ML）材料和上转换发光（UCL）材料在智能皮肤、应力传感及光学测温等领域展现出巨大潜力。在众多基质中，CaZnOS 凭借多阳离子位点及优异的激活剂相容性，成为实现多模态调谐发光的理想半导体材料。然而，能源材料的研究不能仅局限于单一功能的优化。现有的双传感研究多面临发光波段重合、多物理参数解耦复杂等挑战，且功能单一的材料难以满足应用场景复杂化和信息传递精确化的要求。因此，开发高性能多功能化荧光材料势在必行。

近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室陈东丹副教授团队提出了一种基于经典基质CaZnOS的镧系/镧系（Nd³⁺/Er³⁺）激活剂组合策略，开发出一种能够同时表现对应力和温度敏感的新型智能发光材料。有望拓展其在应力和温度双模态传感中的潜在应用。

图1 应力/温度双模式传感的光纤传感器示意图

通过高温固相法成功合成了CaZnOS:Nd³⁺, Er³⁺荧光粉，实现了高效的近红外力致发光（NIR ML，源自Nd³⁺）与上转换发光（UCL，源自Er³⁺）的集成。通过采用碱土金属共混合策略（Ca/SrZnOS: Nd3+, Er3+），进一步增强了材料的发光性能。材料表现出具有低应力阈值和高稳定性的近红外力致发光（NIR ML），能够有效避免环境光的干扰，显著增强ML信号的信噪比。同时，其上转换发光（UCL）性能在温度传感方面展现出极佳的灵敏度和检测精度。该材料在远程应力和温度分布检测方面展现出巨大的潜力。此外，本研究将实验表征手段与密度泛函理论（DFT）计算相结合，明确了力致发光（ML）过程中缺陷的具体类型及其来源。研究证实，ML的产生机制源于基质中缺陷的协同效应与发射过程中的压电效应。通过分析分波态密度（PDOS）以及费米能级局部微环境的变化，外源离子的掺杂极易在 CaZnOS基质中诱导形成氧空位（Vo¨）和与锌空位（V＂zn）等缺陷，这些缺陷作为空穴和电子的捕获中心，能够有效促进电子跃迁与能量存储过程，为完善ML材料的发光机理提供了重要的理论支撑。基于该材料优异的动态/静态光学特性，设计并构建了一种双模态光学传感器件。该装置在远程应力和温度检测方面具有卓越的应用潜力，其独特的光纤传输技术不仅保证了数据传输的安全性和准确性，还有效提高了其在复杂环境下的稳定性和可靠性。对推动发光材料的实际应用具有重大意义。

图2 基于CaZnOS: Nd3+,Er3+材料的发光性能及应力发光机理

相关研究成果以“Flexible Optical Fiber Stress/TemperatureDual- Mode Sensing Based on CaZnOS: Nd,Er”为题发表在Advanced FunctionalMaterials上，其中通讯作者为陈东丹副教授、甘久林研究员和香港大学熊普先博士后，共同第一作者为郑盼硕士生、肖窑博士生和熊普先博士后，该研究工作得到了广东省重点研发计划和国家自然科学基金的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202505094