Zn2+ 掺杂增强LiNbO3 :Pr3+ 压电材料的机械发光性能：实现高亮度、长时存储与可重复性

研究人员针对压电材料机械发光（ML）强度弱、存储时间短的问题，通过Zn2+ 掺杂LiNbO3 :Pr3+ （LNP）体系，调控电荷转移带（CTB）能级和缺陷分布，实现了高亮度、可重复的红色ML发射。该材料在30天后仍保持强ML响应，为智能机电-光电器件开发提供了新策略。

　　

背景与挑战
当你在黑暗中按压手机屏幕时，是否想象过材料自身能发出光亮？这种被称为机械发光（Mechanoluminescence, ML）的现象，正成为智能传感和防伪领域的新宠。然而，现有压电材料的ML性能常面临亮度低、重复性差和存储时间短的三大瓶颈。以经典压电材料LiNbO₃
:Pr³⁺
（LNP）为例，其虽具备阈值响应的优势，但弱发光强度和有限持久性制约了实际应用。更棘手的是，传统方法难以同时优化材料的压电特性和发光性能——这就像要求一位运动员既要是短跑冠军，又得是马拉松健将。

研究突破
中国研究人员独辟蹊径，将目光投向Zn²⁺
掺杂这一"基因编辑"策略。团队通过固相烧结法合成LiNbO₃
:1%Pr³⁺
,xZn²⁺
（x=0-2.0%）系列材料，发现0.5%Zn²⁺
掺杂的样品展现出惊人性能：ML强度翻倍、50次循环后仍可发光、30天存储不衰减。这种"一石三鸟"的效果源于Zn²⁺
对材料能带结构和缺陷的精准调控——它像一位高超的调音师，既降低了电荷转移带（Charge Transfer Band, CTB）的能级，又优化了陷阱分布，使电子传递更加高效。

关键技术
研究采用X射线衍射（XRD）和场发射扫描电镜（FESEM）表征晶体结构，通过荧光光谱和热释光（TL）分析发光特性，结合自建摩擦发光测试系统评估ML性能，并运用密度泛函理论（DFT）计算电子态密度分布。

结果解析
1. 晶体结构与元素分布
XRD证实所有样品保持LiNbO₃
三角晶系结构（R3c空间群），Zn²⁺
以取代Li⁺
位点为主。EDS图谱显示Nb、O、Pr、Zn元素均匀分布，印证了掺杂的稳定性。

2. 发光性能飞跃
ML光谱显示0.5%Zn样品强度达未掺杂样的2倍。关键突破在于Zn²⁺
诱导的CTB红移（26nm）和陷阱重构：浅陷阱（25-100°C）密度增加促进电子释放，深陷阱（150-250°C）的适度存在延长存储时间。这种"深浅搭配"的陷阱分布，如同建设了多级水库，既保证快速响应又维持长期蓄能。

3. 超长时效验证
在30天黑暗存储后，0.5%Zn样品仍展现肉眼可见的ML发光，而对照组LNP早在第3天就已"失活"。XPS分析揭示其奥秘：Zn²⁺
通过引入间隙氧（O_i
）重构局域电场，而适量掺杂（≤0.5%）可避免过量缺陷导致的非辐射复合。

4. 压电-发光协同增强
压电力显微镜（PFM）显示0.5%Zn样品压电系数d₃₃
达0.45pm/V，比未掺杂样提高40%。DFT计算指出，Zn-2p轨道在导带底引入新电子态，增强了Nb-4d与O-2p轨道杂化，这种"电子高速公路"的建设大幅提升了载流子复合效率。

机制创新
研究提出双调控机制：CTB能级下移使Pr³⁺
的³
P₀
电子更易通过CTB通道跃迁至¹
D₂
能级；陷阱分布优化则像设置"智能开关"，浅陷阱保障快速响应，深陷阱实现能量存储。这种设计使材料兼具"闪电反应"和"持久耐力"的特性。

应用前景
该成果发表于《Journal of Materiomics》，为柔性电子皮肤、自供电传感器等器件开发提供新材料范式。尤其值得注意的是，材料在太阳光激发下的快速恢复特性（10分钟照射即可"充电"），使其在户外环境应用中展现出独特优势。未来通过组分梯度设计，有望实现应力-发光颜色的线性调控，推动ML材料走向定量化检测时代。

结语
这项研究犹如为压电材料装上了"发光引擎"，通过Zn²⁺
掺杂的精准调控，破解了强度-稳定性不可兼得的行业难题。其创新之处在于将传统的"缺陷有害论"转化为"缺陷功能化"设计理念，为多功能材料开发提供了普适性策略。当机械力与光子在此类材料中实现自由对话，一个全新的智能传感世界正在被照亮。