近年來，稀土錫酸鹽燒綠石由于其潛在的光學(xué)性能，穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)以及化學(xué)性質(zhì)在光催化有機(jī)物污染物的處理方面受到人們的廣泛關(guān)注。燒綠石獨(dú)特的發(fā)光特性主要來源于稀土離子，由于其發(fā)射的光譜受外界環(huán)境影響不大，因而具有在極端條件下應(yīng)用的潛質(zhì)。

近日，北京高壓科學(xué)研究中心的楊文革研究員帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊的最新研究表明壓力可以誘導(dǎo)燒綠石氧化物Ho2Sn2O7發(fā)光，并且在壓力卸除后，這種發(fā)光性能表現(xiàn)出增強(qiáng)的現(xiàn)象。相關(guān)研究以“Tricolor Ho3+ Photoluminescence Enhancement from Site Symmetry Breakdown in Pyrochlore Ho2Sn2O7after Pressure Treatment”為題發(fā)表于2020年12月7日的《物理評論快報》。

這里提到的發(fā)光指的是熒光，是物質(zhì)在外界刺激作用下的發(fā)光，常見的有光致發(fā)光、電致發(fā)光、壓致發(fā)光或者化學(xué)壓力調(diào)控的發(fā)光。熒光材料在生化和醫(yī)藥等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，它可做成激光器、防偽標(biāo)示和傳感器等。 楊文革研究員團(tuán)隊早期的研究發(fā)現(xiàn)壓力可以有效調(diào)節(jié)稀土鑭系錫酸鹽燒綠石Eu2Sn2O7、La2Sn2O7的發(fā)光性能，并且這種壓力誘導(dǎo)的發(fā)光性能與其中的鑭系三價陽離子的局域?qū)ΨQ性相關(guān)。為了更深入的探索燒綠石中的壓致發(fā)光現(xiàn)象與其結(jié)構(gòu)之間的對應(yīng)關(guān)系，該研究團(tuán)隊以Ho2Sn2O7為研究對象進(jìn)行了高壓下的熒光，晶體結(jié)構(gòu)以及Ho3+ 近邊吸收譜等的系統(tǒng)研究。 Ho2Sn2O7是一類典型稀土錫酸鹽燒綠石，在常壓室溫條件下，沒有光致發(fā)光性能。該研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓力增加至約31萬大氣壓的條件時，Ho2Sn2O7可以發(fā)射出三種不同波長的熒光（綠色熒光，紅色熒光及其近紅外熒光），令人驚喜的是這種壓力誘導(dǎo)的三種熒光卸壓之后不僅保留下來，而且其熒光強(qiáng)度比高壓下更高。更令人驚奇的是高壓下由綠色熒光占主導(dǎo)的熒光光譜，在卸壓后變?yōu)橛杉t色熒光占主導(dǎo)的這一現(xiàn)象。 為了探索這一奇特的發(fā)光現(xiàn)象背后的物理機(jī)制，該團(tuán)隊進(jìn)行了進(jìn)一步的晶體結(jié)構(gòu)及吸收譜等的測量。他們發(fā)現(xiàn)Ho2Sn2O7出現(xiàn)熒光的壓力點(diǎn)正好對應(yīng)著其晶體結(jié)構(gòu)的變化（低壓燒綠石結(jié)構(gòu)-高壓氯鉛礦）?！癏o2Sn2O7在晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變的過程中伴隨著Ho3+離子的局域?qū)ΨQ性發(fā)生變化（中心對稱-非中心對稱），使得Ho3+的5d-4f電子軌道的雜化從而實現(xiàn)了不發(fā)光的Ho2Sn2O7出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象”，該工作的第一作者，趙永勝博士解釋道。 卸壓后，Ho2Sn2O7高壓相部分非晶化，此時的綠色和近紅外熒光強(qiáng)度是高壓時的兩倍，而紅色熒光增強(qiáng)了4倍并變?yōu)橹鲗?dǎo)熒光。

圖釋：（a，b）相變前后Ho3+離子5d軌道eg與她t2g能級能量差示意圖；（c）卸壓過程中呈現(xiàn)兩個Ho3+離子4f光譜發(fā)光中心。 “Ho2Sn2O7部分非晶化后，Ho3+的局域結(jié)構(gòu)對稱性進(jìn)一步降低，使得強(qiáng)關(guān)聯(lián)的Ho3+離子對之間的能量交換加強(qiáng)而導(dǎo)致出現(xiàn)一種新的熒光發(fā)射中心，從而導(dǎo)致非晶態(tài)樣品的熒光的增強(qiáng)以及紅色熒光變?yōu)橹鲗?dǎo)的現(xiàn)象”，趙永勝博士解釋到。 “壓致發(fā)光現(xiàn)象在很多鈣鈦礦材料也有發(fā)現(xiàn)，然而遺憾的是當(dāng)壓力卸除后熒光現(xiàn)象即時消失，這就限制了壓力優(yōu)化的發(fā)光功能的實際使用”，楊文革研究員說到。“我們在燒綠石Ho2Sn2O7中獲得的發(fā)光性能不但能保留到常壓，并且增強(qiáng)，意味著Ho2Sn2O7有望作為極端條件的記錄探測器以及用于改進(jìn)生物發(fā)光成像技術(shù)”。 該工作第一作者是趙永勝博士，通訊作者是楊文革研究員。該項研究得到國家自然科學(xué)基金及其國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目的支持。

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