La meccanoluminescenza (ML) è un tipo di luminescenza indotta da qualsiasi azione meccanica su un solido, portando a una gamma di applicazioni nella ricerca sui materiali, fotonica e ottica. Ad esempio, l'azione meccanica può liberare energia precedentemente immagazzinata nel reticolo cristallino del fosforo tramite portatori di carica intrappolati. Però, il metodo ha dei limiti quando si registrano le emissioni ML durante un evento indotto dalla pressione. In un nuovo studio, Robin R. Petit e un team di ricerca del LumiLab, Il Dipartimento di Scienze dello Stato Solido dell'Università di Gent, in Belgio, ha ideato una nuova tecnica per aggiungere una funzione di memoria ai fosfori sensibili alla pressione. Utilizzando il metodo, gli scienziati hanno ottenuto una lettura ottica della posizione e dell'intensità di un evento di pressione tre giorni (72 ore) dopo l'evento.

Il team ha osservato il risultato utilizzando l'ossinitruro di silicio e bario drogato con Europio (BaSiO ₂ n ₂ :Unione Europea ²⁺ ) fosforo, che conteneva un'ampia distribuzione della profondità della trappola o della profondità della distribuzione dei difetti, essenziale per la funzione di memoria unica. Gli elettroni eccitati del fosforo riempivano le "trappole" (o difetti) nel reticolo cristallino, che potrebbe essere svuotato applicando un peso per emettere luce. Il team di ricerca ha unito la luminescenza stimolata otticamente (OSL), misurazioni di termoluminescenza (TL) e ML per analizzare attentamente l'influenza della luce, calore e pressione sulla distribuzione della profondità della trappola. In base all'effetto memoria, i materiali ricordavano il luogo in cui si era verificata la pressione, aiutando i ricercatori a sviluppare nuove applicazioni di rilevamento della pressione ea studiare le transizioni dei portatori di carica all'interno dei fosfori di accumulo di energia. L'opera è ora pubblicata su Luce:scienza e applicazioni .

Quando materiali specifici sono soggetti ad un'azione meccanica, l'emissione di luce può essere osservata come meccanoluminescenza (ML). Il processo può essere indotto attraverso diversi tipi di sollecitazioni meccaniche tra cui attrito, frattura, piegarsi, impatto di un peso e persino degli ultrasuoni, cristallizzazione e vento. Il fenomeno può essere utilizzato per identificare la distribuzione dello stress, propagazione di microfessure e danni strutturali nei solidi, pur consentendo una varietà di applicazioni nei display, per visualizzare gli ultrasuoni e persino mappare la grafia personalizzata. Però, la tecnica è limitata dalla gamma di colori di emissione, limitazione delle misurazioni in tempo reale e visibilità del segnale limitata.

Usando Eu ²⁺ BaSiO . drogato ₂ n ₂ fosforo come esempio, gli scienziati hanno prima eccitato il fosforo con luce ultravioletta (UV) o blu per portarlo in uno stato eccitato. Quando lo ione è tornato allo stato fondamentale, hanno osservato un'emissione di colore blu-verde. I ricercatori avevano precedentemente dimostrato che il detrapping assistito termicamente (rimozione di elettroni da una trappola) consentiva fosfori "luminosi al buio" per la segnaletica di sicurezza o le funzioni di bioimmagine. L'applicazione della pressione nella configurazione ha indotto in modo simile il detrappolamento per il detrappolamento termico e indotto dalla pressione per diventare processi concorrenti. Gli scienziati hanno evitato la presenza di emissioni di fondo o bagliore nell'installazione per aumentare la visibilità del segnale. In questo lavoro, Petit et al. ha introdotto la proprietà della memoria di pressione (P-MEM), che ha permesso alle particelle di fosforo sottoposte a pressione di ricordare il processo sotto la radiazione infrarossa (IR) più di 72 ore dopo l'applicazione della pressione.

Il team ha studiato i principi di funzionamento alla base della proprietà P-MEM (pressione-memoria) utilizzando un intervallo relativamente ampio di profondità delle trappole all'interno del fosforo, in cui trappole diverse hanno risposto in modo diverso a stimoli specifici (pressione, calore, leggero). Quando hanno indotto meccanicamente il detrappolamento, alcuni dei portatori di carica si sono ricombinati per produrre un'emissione di luce immediata mentre altri sono stati ridistribuiti attraverso trappole relativamente poco profonde o immagazzinati quasi permanentemente in trappole profonde. Per rilasciare le cariche in trappole profonde hanno usato la radiazione IR. Il lavoro apre nuove strade per il rilevamento della pressione e facilita lo studio dei fosfori di accumulo di energia sondando sottili interazioni tra termico, detrappolamento meccanico e ottico.

Per testare la riproducibilità dei test ML, gli scienziati hanno prima eseguito la stimolazione meccanica trascinando in modo non distruttivo un'asta di forma sferica sulla superficie del fosforo. Hanno garantito la riproducibilità delle misurazioni recuperando l'intensità ML iniziale dopo ogni fase di eccitazione UV. La capacità delle trappole di stoccaggio attive è rimasta inalterata a causa della stimolazione meccanica, mentre il processo di trascinamento è rimasto non distruttivo. Per ottenere la proprietà P-MEM, il team ha combinato stimolazioni meccaniche e ottiche in laboratorio, usavano la pressione per spostare gli elettroni e usavano mezzi ottici per leggere i risultati.

Primo, hanno esposto il cristallo alla luce UV seguita dalla stimolazione ML trascinando un'asta avanti e indietro più volte, quindi irradiato il campione utilizzando il laser IR. Durante la stimolazione IR, lo spettro di emissione originato dall'Eu ²⁺ centro luminescente in BaSiO ₂ n ₂ . Il team ha studiato la relazione tra l'intensità della luminescenza e l'entità del carico nell'esperimento; che aumenta linearmente con il carico applicato. L'applicazione di carichi più elevati per la stimolazione meccanica ha svuotato più trappole nel cristallo per rilasciare più portatori di carica. Alcuni degli elettroni rilasciati si sono ricombinati immediatamente con gli ioni europio ionizzati per produrre il segnale ML comune.

Dopo aver testato a lungo la configurazione, Petit et al. osservato l'origine di P-MEM utilizzando la termoluminescenza (TL) per rivelare l'occupazione di trappole nei fosfori. Per questo, hanno diviso le curve TL-bagliore in tre regioni contenenti un superficiale (da 25 gradi C a 45 gradi C), regione intermedia (da 45 gradi C a 80 gradi C) e profonda (> 80 gradi). I risultati hanno implicato che la proprietà P-MEM si basava su un evento di rimescolamento per rilasciare portatori di carica che occupavano livelli di trappola profondi.

Era altrettanto importante per il team di ricerca visualizzare il segnale P-MEM in funzione del tempo. Hanno raggiunto questo obiettivo eseguendo un esperimento dedicato per testare l'influenza dell'irradiazione IR e osservando due effetti relativi a (1) svuotamento dei livelli di trappola profonda, seguito dal (2) successivo decadimento originato dal graduale impoverimento dei livelli di trappole superficiali e intermedi. A causa della stabilità delle trappole profonde, dopo aver ottimizzato la configurazione, il team ha osservato il segnale P-MEM con sufficiente intensità, tre giorni dopo l'applicazione della pressione e la lettura assistita da radiazioni IR.

In questo modo, Robin R. Petit e colleghi hanno dettagliato una specifica interazione tra detrappolamento meccanico e ottico in BaSiO ₂ n ₂ :Unione Europea ²⁺ , che ha portato alla proprietà unica P-MEM osservata nello studio. Hanno recuperato un segnale ML indotto dalla pressione dopo l'irradiazione IR del fosforo, sulla base delle interazioni dettagliate. Quando hanno condotto il detrappolamento ottico con irraggiamento IR, le trappole più profonde si svuotavano rapidamente per creare una maggiore intensità del segnale nei punti in cui si era verificata la pressione in precedenza, anche 72 ore tra gli stimoli pressori e la lettura IR. Le trappole profonde hanno giocato un ruolo significativo nell'ottenimento del fenomeno P-MEM e possono essere estese a ore anche più lunghe.

Il lavoro apre un nuovo percorso per l'archiviazione e il recupero delle informazioni, mentre la stimolazione meccanica fornisce un modo unico per scrivere informazioni. Il P-MEM descritto ha un grande potenziale nelle applicazioni di monitoraggio della salute strutturale e in biomedicina. I risultati completi indicano che resta ancora molto da capire sul funzionamento interno dei fenomeni luminescenti relativi ai percorsi di detrappolamento e riavvolgimento, giustificare ulteriori approfondimenti.

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