导读

长余辉发光是指材料在吸收并储存外部激发光源（紫外线、电子束和X射线等）的能量后，仍能缓慢发光长达数分钟或数小时的现象。因此，利用长余辉发光材料的 “蓄光 ”特性，可以将其广泛应用于日常生活和生产中，如夜间照明、表面涂层、室内装饰、信息存储和生物成像等。

长余辉发光过程涉及到载流子的激发、迁移、捕获和复合过程，可以用图 1 中的简化图来解释。图中主要包括发光中心的基态和激发态，以及与载流子相关的陷阱能级。光致发光过程主要源于发光中心的基态和激发态（步骤Ⅰ和Ⅱ）之间的电子跃迁。对于余辉发光，其发射强度主要取决于载流子的捕获和释放过程（步骤Ⅲ）。

图1 余辉发光过程简化示意图。

近日，兰州大学材料与能源学院王育华教授团队针对余辉材料发光亮度低，性能难调控等问题，提出一种“通过电场激励增强长余辉发光亮度”的新机制，认为余辉发射增强的关键因素是电子从陷阱中心转移到导带的过程。成功设计出荧光粉/电极层状结构，利用原位电场激励，实现了高亮度长余辉发射，特别是余辉初始亮度的提升，这具有重要应用价值。

研究背景

自 1996 年新型黄绿发光材料SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺问世以来，经过科学家们不懈探索，研制出许多新型长余辉发光材料，如CaAl₂O₄: Eu²⁺,Nd³⁺(蓝色)、Sr₂MgSi₂O₇:Eu²⁺,Dy³⁺(蓝色)、Sr₄Al₁₄O₂₅: Eu²⁺,Dy³⁺⁽青色)、Ca₂BO₃Cl: Eu²⁺,Dy³⁺(黄色)、Sr₃SiO₅: Eu²⁺,Nb⁵⁺(黄色)、Y₂O₂S: Eu³⁺,Mg²⁺,Ti⁴⁺（红色）、Sr₂Si₅N₈: Eu²⁺、Tm³⁺（红色）等。其中一些已实现商业化。

不过，目前应用最多的仍以SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺为主，且没有开发出性能比之更强的长余辉发光材料，因此，“更明亮的余辉”这一日益增长的工业需求未能得到满足。当工厂、商业设施或营业厅等建筑物突然停电时，人们需要一个更亮、更清晰的指示，以引导他们在黑暗中快速、安全地找到出口或避难所。因此，需要在约30分钟的短时间内发出明亮的余辉，而不是在相对较长的时间，如1-10小时。

要获得更高亮度的长余辉发光材料，必须从余辉机理入手。在长余辉材料研究过程中，以SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺为代表的Eu²⁺激活，Ln³⁺共掺杂长余辉荧光粉的余辉机理也在逐步取得进展。许多余辉机理模型也相继提出，如Matsuzawa模型、Aitasalo模型、Dorenbos-Nakazawa模型，以及Clabau模型。其中，Dorenbos-Nakazawa模型，因其能较好地解释大多数材料的余辉行为而被认可。然而，该模型在推断载流子/陷阱的归属、能量传输路径等方面依然缺乏足够的实验证据。要充分理解余辉发光的过程，解决余辉发射的强度不高的问题，仍需要更多的实验数据和新方法，核心是从载流子输运过程入手。

创新研究

研究团队首先合成出单相SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺荧光粉，设计并组装了由氧化钼/银电极、荧光粉和透明导电 FTO 基底组成的器件（图2），其可连接于外部电路中，同时施加电压并进行光谱测量。

图2 长余辉荧光粉/电极叠层结构及其光谱测试示意图。

图3显示了电压对于余辉的激励效果，余辉性能的提升以有电压(I_VEx)和无电压(I₀)余辉强度的比值来表示(I_VEx/I₀)。施加3V和6V的电压，均可使余辉亮度提高，随着电压升高到12V，SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺的初始亮度也可从0.409cd m^-2提高到0.538cd m^-2。上述结果表明，在稳定充能后，陷阱捕获的电子可在电场作用下释放，进而提升材料的余辉亮度。

图3 有无电压激励下的余辉亮度对比。

为了分析上述现象产生的原因，利用阿伦尼乌斯方程和速率方程对余辉过程进行了模拟。图4给出了初始余辉强度与外加电压之间的拟合关系，由此推算出电压激励的超浅陷阱深度约为 0.022 eV，这与已报道的研究结果一致。此外，利用热释光谱数据进一步证实了外部电场激励浅陷阱释放电子。

图4 余辉亮度与施加电压之间的线性拟合结果

最后，研究团队提供了基于电场激励长余辉发光的典型应用示范（图 5）。当在建筑物内发生不可预见的紧急情况和停电时，配备持久荧光粉的标志可由四节干电池（6 V）驱动，以最小的电压提供更亮的指示。这有助于提高在黑暗环境中的逃生路径识别效率，从而实现快速预警。通过减少人们的反应时间，显著增加了可用于逃生的宝贵时间，进而减轻灾难对人们的影响。

图5 长余辉衰减曲线对比及其在紧急逃生时的原理图。

应用与展望

研究团队成功构建了一种长余辉荧光粉/电极结构，从理论和实验的角度探讨了长余辉荧光粉在原位外加电场下余辉性能变化及其机理。利用电信号和光谱技术对载流子行为和缺陷演化进行评估，从而为理解长余辉机理和其基本物理过程提供新的视角。这一新发现不仅丰富了现有的余辉机制，还对之前的传统余辉模型进行了扩展，为长余辉发光材料性能提升和机理研究提供了新的思路和借鉴。

该研究成果以“Electrical stimulation for brighter persistent luminescence”为题在线发表在国际顶尖光学期刊《Light: Science & Applications》。

本文第一作者为兰州大学材料与能源学院博士生马西麟，通讯作者为兰州大学材料与能源学院王育华教授和TAKATOSHI SETO教授。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01507-0