基于Pr3+ 掺杂Y3 GaO6 的先进机械力发光传感技术在运动表现监测中的应用研究

本研究针对运动训练中臂力动态监测的技术瓶颈，创新性地开发了Pr3+ 掺杂Y3 GaO6 机械力发光(ML)材料。通过系统表征其光致发光(PL)、持久发光(PersL)与机械应力响应的关联性，证实该材料可实现非接触式实时力传感，为马拉松等运动项目的生物力学优化与损伤预防提供了新型解决方案。

　　

在运动科学领域，精确监测运动员训练时的力学参数一直是重大挑战。传统传感器存在体积大、干扰运动等缺陷，而机械力发光(Mechanoluminescence, ML)材料因其将机械能直接转化为光信号的特性，为动态力监测开辟了新路径。然而，现有ML材料普遍存在响应延迟、信号衰减快等问题，难以满足持续监测需求。针对这一技术空白，研究人员聚焦于稀土掺杂氧化物体系，探索兼具高灵敏度和持久发光特性的新型传感材料。

发表在《Journal of Alloys and Compounds》的这项研究，创新性地选用Pr³⁺
掺杂Y₃
GaO₆
作为核心材料。研究团队通过高温固相法合成系列样品，结合X射线衍射(XRD)精修确认晶体结构稳定性，利用密度泛函理论(DFT)计算能带结构演变，系统表征了材料的光致发光(PL)、持久发光(PersL)与机械力发光(ML)的关联机制。关键技术包括：多浓度梯度样品制备、激发/发射光谱测试、衰减曲线分析、PDMS柔性薄膜封装以及动态力响应实验。

Phase Identification and Chemical Analysis
XRD证实Pr³⁺
掺杂量在0.00-0.07范围内均保持Y₃
GaO₆
单相结构，Rietveld精修显示晶胞参数微小变化，为后续光学性能研究奠定结构基础。

Photoluminescence Properties
激发光谱在270 nm处呈现稳定紫外吸收峰，对应Pr³⁺
的³
H₄
→⁵
d₁
跃迁。发射光谱显示500 nm和680 nm双峰特征，证实能量从基质到Pr³⁺
的有效转移。

Band Structure Analysis
DFT计算揭示掺杂使材料从3.8 eV间接带隙转变为3.7 eV直接带隙，Pr³⁺
贡献价带顶状态密度，这种电子结构调控是增强发光效率的关键。

Persistent Luminescence
0.01Pr³⁺
样品展现最优PersL性能，254 nm激发后持续发光达分钟级，双峰发射特性与PL谱一致，证实陷阱能级对载流子的可控释放。

ML Performance
在10 N机械力作用下，ML强度与Pr³⁺
浓度呈非线性关系，0.01掺杂样品ML强度最大，且PL/PersL/ML光谱高度一致，证实应力诱导的载流子释放机制。

Application Demonstration
将最优样品与PDMS按5:1制成柔性薄膜，成功实现跑步摆臂力的动态光信号捕捉，验证了其在运动监测中的实用价值。

该研究首次将Pr³⁺
-Y₃
GaO₆
体系应用于力传感领域，其创新性体现在：1) 通过能带工程实现力-光转换效率提升；2) 利用PersL特性突破传统ML材料的瞬时响应局限；3) 开发出可穿戴式监测原型装置。这项工作不仅为运动科学提供了新型监测工具，其揭示的"应力-载流子-发光"耦合机制，对智能传感材料的设计具有普适性指导意义。作者Hongzhou Bai在讨论中指出，未来通过优化薄膜制备工艺和信号采集系统，该技术可扩展至康复医学、人机交互等领域。