基于温度与组分协同效应的ZnS:M@Al2O3-PDMS复合材料力致发光性能优化研究

针对ZnS:M@Al2O3-PDMS复合材料发光强度弱、环境敏感性高的问题，研究人员通过调控温度（60-90°C）与组分比例（2:8至7:3），系统优化其力致发光（ML）性能。研究发现60°C及中高比例ZnS含量可提升发光强度，而高温与过量颗粒会导致性能下降。该研究为柔性电子与智能传感领域提供了高稳定性自发光材料解决方案。

　　

在智能传感与柔性电子技术飞速发展的今天，力致发光（Mechanoluminescence, ML）材料因其能将机械能直接转化为光能而备受关注。这类材料无需外部电源即可实现自发光，在结构健康监测、电子皮肤和虚拟现实等领域展现出巨大潜力。然而，当前主流ML材料——掺杂硫化锌（ZnS:M@Al₂O₃, M=Mn/Cu）与聚二甲基硅氧烷（PDMS）的复合材料——面临发光强度低、环境敏感性高的瓶颈问题。普通光谱传感器难以捕捉其微弱信号，严重制约了实际应用。

针对这一挑战，山西某高校的研究团队在《Optical Materials》发表了一项突破性研究。他们通过调控制备温度（60-90°C）和材料配比（ZnS:M@Al₂O₃与PDMS比例为2:8至7:3），系统揭示了温度与组分协同作用对ML性能的影响机制。研究采用RGB分析和光谱表征技术，结合力学性能测试，发现60°C制备条件与中高比例ZnS含量（如5:5）可显著提升发光强度，而过量颗粒或90°C高温会因杨氏模量升高（2.679-3.393 MPa）和颗粒聚集导致性能劣化。

关键技术方法
研究通过真空除泡法制备均匀分散的ZnS:M@Al₂O₃-PDMS复合材料，利用3D打印模具成型后，在不同温度下固化。采用动态力学分析仪测试杨氏模量，通过光谱仪和RGB相机量化发光性能，并结合软机器人气动手指和压力交互显示器验证应用效果。

研究结果

1. 发光行为：60°C制备的5:5比例样品发光最强，高温导致PDMS交联密度增加，阻碍应力传递；ZnS过量（7:3）引发颗粒聚集，降低发光效率。
2. 机理研究：低温下PDMS的低杨氏模量促进应力向ZnS颗粒传递，增强内部电场，优化电子-空穴复合效率；Cu掺杂体系比Mn掺杂对温度更敏感。
3. 应用验证：在软机器人运动监测中实现毫米级弯曲可视化；压力交互显示器能通过发光颜色区分0.1-1 N压力梯度，响应时间<50 ms。

结论与意义
该研究首次阐明温度与组分协同调控ML性能的物理机制，提出"低温-适中ZnS含量"的优化策略，使发光强度提升3倍以上。这不仅解决了ML材料在柔性电子中信号弱的核心难题，更为智能传感设备的小型化与自供能化提供了新材料基础。未来通过优化掺杂元素（如稀土离子）和微结构设计，有望进一步拓展其在生物医学植入器件中的应用边界。