力致发光

又称摩擦发光

力致发光（mechanoluminescence, ML ）亦翻译为应力发光，又称摩擦发光（triboluminescence,TL ）、压电发光（piezoluminescence）等，是一种古老而又神秘的发光现象，与光致发光、电致发光等发光过程不同，力致发光是物质在受到机械作用（力）而产生的。最早由Francis Bacon 记录于1605年，其在《Advancement of Learning》中记载了通过刮糖块能够观察到发光。尽管对力致发光已经研究了几百年，但对其发光机理以及发光过程尚未有统一的理论。具有力致发光性质的材料因其在新型光源、显示和压力传感器等领域的应用前景而受到广泛的关注。

现象描述

力致发光是指物质在受到机械作用如摩擦、加压、冲击、破碎以及超声等产生的发光现象，其发光光谱位置通常与光致发光一致。截止到2014年，据估计约50%的无机盐及有机化合物具有力致发光现象。1978年，印度科学家B. P. Chandra 提出了一般术语“mechanoluminescence”(Ml)来描述由于机械作用转移到材料而产生的所有类型的发光。

分类

根据发光时材料的形变类型可分为破坏性发光(Fracture Mechanoluminescence, FML)、塑性变形发光 (Plastic Mechanoluminescence, PML) 、弹性变形发光 (ElasticMechanoluminescence, EML)，前两者都属于破坏性发光，这种发光现象在自然界中普遍存在，如地震、岩石破碎等高能量释放引起的发光。在基质的弹性变形限度内，弹性力致发光荧光粉由于发光的可重复性以及发光强度与应力大小的规律性关系，使得通过检测应力发光的分布而确定应力分布成为可能，引起人们的极大研究兴趣。

仅就无机力致发光化合物而言，其发光颜色范围已经覆盖从紫外至近红外区，如：SrAl2O4:Ce3+ (375 nm)，CaYAl3O7: Eu3+ (440nm)，BaSi2O2N2: Eu2+ (498 nm)，Ca2Nb2O7:Pr3+ (620 nm)，CaZnOS: Er3+ (515-535 nm, 535-565 nm, 649-679 nm)，Sr2SnO4:Sm3+ (570, 582, 610, 624, 665 nm)以及LiNbO3: Nd3+ (895 nm)。

有机力致发光化合物特别是金属有机配合物也表现出优异的力致发光性质，如一种稀土金属Eu的配合物 EuD4TEA，其力致发光强度是ZnS:Mn的2倍。很多纯有机化合物如四苯乙烯类衍生物、咔唑以及吩噻嗪类衍生物也表现出力致发光性质。

研究历史

1605年，Francis Bacon 在《Advancement of Learning》中记载了通过刮糖块能够观察到发光，这也是最早记载的力致发光现象。

随后很长一段时间，由于表征技术手段有限，对力致发光的研究很缓慢。

得益于光电倍增管（PMT）的发展，力致发光的研究在上世纪取得了很快的进展，特别是1999年，Xu CN 等人报道了具有强力致发光强度的ZnS:Mn及SrAl2O4:Eu，并将其应用在应力传感上，促进了力致发光的研究。

2015年，中山大学池振国教授等人首次报道了具有AIE（聚集诱导发光）性质的力致发光化合物SPFC ，由于AIE使其在聚集态也表现出强的荧光性质，也带来了强的力致发光强度。随后，其又报道了一系列具有AIE效应的力致发光化合物。

与此同时，武汉大学李振教授也报道了一系列具有AIE效应的力致发光化合物，除此之外，其还首次发现力致磷光现象。

产生机理

不同材料的力致发光机理具有很大差异，尚无统一的力致发光机理。

以无机力致发光化合物ZnS:Mn为例，一般认为其力致发光主要是因为化合物的非中心对称晶体结构在受到力刺激时产生压电势，进而使价带和导带倾斜，陷阱深度降低，进而更容易使电子脱束缚，脱束缚的电子与空穴发生非辐射跃迁复合，该非辐射跃迁的能量传递给Mn，使其被激发，随后发射出585nm左右的黄色光。但并没有一个公认的理论模型解释压电电场对陷阱能级的作用方式。

相较于无机力致发光化合物，对有机力致发光化合物的发光机制的理解更加不足，这主要是因为有机力致发光化合物的发光强度较弱，发光条件较为苛刻（往往需要培养晶体，并且在晶体结构破坏后只有重新生长晶体才能使力致发光恢复）等。有机力致发光化合物的发光机理也大多归结为晶体的压电效应导致的电荷积累引起的发光。

表征手段

力致发光的表征手段尚不统一，大多为各自实验室自制，常见的表征手段主要为落球法、AFM以及万能试验机等。

力致发光分析设备主要包括机械外力产生部分和力致发光信号收集分析部分。至今，已建立了包括压缩、弯曲、拉伸、冲击、超声和压力脉冲技术等多样的机械力的产生方式，配合一个分光光度计或者光纤光谱仪来分析样品的发射信号。

在大多数情况下，需要对团聚颗粒力致发光化合物的特性进行评估。采用万能试验机对样品施加压缩力，配合光纤光谱仪来收集力致发光信号是普遍采用的评估材料力致发光的方式。这种方法需要先将待测力致发光荧光粉与透明环氧树脂混合，固化为一定形状，尺寸的复合物式样，通常式样尺寸为直径 25 mm，高15 mm，而树脂与荧光粉的比例可根据荧光粉的特性调节。试验机施加压缩力于复合物样品，环氧树脂将受到的压缩力传递给分散在其中的粉末样品。通过控制万能试验机施加压缩力的大小，该测试方式可以定量探究不同压力与 ML 发光强度的关系。

上述表征手段施加的压力（压强）通常为兆帕（MPa）级别。尚未在大的压力尺度上系统研究力致发光材料的力致发光性质。最近，研究人员利用动态加载金刚石对顶砧（dDAC）技术，以典型力致发光材料ZnS:Mn为研究对象，揭示了其在吉帕（GPa）压力尺度下的压力诱导发光红移以及反常强度变换行为，对力致发光材料在极端压力条件下的机理以及应用研究具有重要意义。

虽然表征手段的多种多样，但缺乏统一的标准来衡量各种表征手段下的力致发光强度。同时，由于力致发光过程的瞬时性以及低强度等特点，很难实现对力致发光过程的准确及精确的表征。

应用

尽管对力致发光的机理的研究还不透彻，但并未影响对其应用的开发。其在应力传感、新型光源及显示、防伪加密、生物成像等领域展现出良好的应用前景。

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