经过电场极化处理后，PMN-0.30PT-Er-Yb陶瓷各向异性光致发光特性的研究

《Journal of Magnesium and Alloys》：Characterization of anisotropic photoluminescence properties of PMN-0.30PT-Er-Yb ceramics after electric field poling

本研究合成Er-Yb共掺杂PMN-0.3PT陶瓷，通过极化处理探究电场对稀土离子晶场及光致发光的影响。发现极化改变Judd-Ofelt参数Ω?，导致发光强度与激发强度n次方相关，证实铁电各向异性调控发光谱线的新机制。

　　在现代光学和光子学研究中，光与物质之间的相互作用是设计和制造各种光学器件的核心。这一领域不仅改变了我们的工作方式和生活方式，还推动了信息编码和传输技术的革新。光子学涵盖了光的产生、调制以及检测等多个方面，其中包括通过光或机械场调节的光致发光、压电发光等现象。压电发光（piezoluminescence）作为机械发光的一种形式，近年来受到越来越多的关注。它源于压电材料在受到机械应力时产生的电势，进而影响材料内部的电子行为，从而引发光的发射。

压电发光的概念最早由弗朗西斯·培根在1605年提出，他描述了“硬糖在刀刃下刮擦时会产生闪烁的光”。然而，直到20世纪末，科学家才在实验中观察到类似的机械发光现象。例如，Xu 等人 [5] 在 ZnS:Mn2? 和 SrAl?O?:Eu2? 等材料中发现了强烈且可重复的机械发光现象。压电发光，也被称为压电光子响应，是一种通过机械应力场调控光发射的新型物理现象，它在光子学领域展现出巨大的应用潜力，如传感器、医疗超声成像换能器和光显示系统等。

在众多光子材料中，压电材料因其独特的电-机耦合特性而备受关注。这些材料能够在受到机械应力时产生电势，并且其电极化方向可以随着外加电场的变化而重新取向。这一特性使得压电材料成为研究光发射调控的理想平台。尤其是在掺杂稀土离子（RE）后，压电材料的光学性能可以得到显著提升。稀土离子具有丰富的4f电子能级结构，能够通过电子跃迁产生光致发光现象。因此，将稀土离子掺杂到压电材料中，不仅可以利用压电效应调节材料的电学性能，还能通过外加电场改变稀土离子的局部晶体场，从而调控其光发射特性。

稀土离子的掺杂通常会引入新的电子能级，使其能够吸收特定波长的光并发射出不同波长的光。这种现象被称为上转换发光（up-conversion photoluminescence）。在稀土离子共掺杂的体系中，例如铒（Er3?）和镱（Yb3?）的共掺杂，能够显著增强发光强度。Yb3?离子因其在近红外波段（如980 nm）具有较大的吸收截面，常被用作敏化剂，而Er3?离子则因其丰富的能量级结构，被用作激活剂，从而实现高效的光发射。通过调整稀土离子的浓度和分布，可以进一步优化材料的发光性能，使其在可见光范围内呈现出绿色和红色等不同波长的发射。

在本研究中，科学家们聚焦于一种特殊的压电材料——PMN-PT（铅镁铌酸铅-铅钛酸铅），并探讨了其在掺杂稀土离子后的光学特性。PMN-PT 是一种多铁材料，能够同时表现出铁电性和铁弹性。当它被合成在相变边界（MPB）附近时，其压电系数会显著提高，从而使其成为一种理想的稀土离子掺杂材料。通过电场极化处理，可以进一步增强材料的铁电性，并且这种极化状态的变化会影响稀土离子的局部晶体场，从而调控其发光行为。

研究团队合成了 Er-Yb 掺杂的 PMN-0.3PT 陶瓷，并对其物理性质，特别是光学特性进行了详细表征。实验结果表明，未经极化处理的陶瓷在室温下表现出绿色（553 nm）和红色（669 nm）区域的发光，分别对应于 Er3? 离子从 4S?/?→4I??/? 和 4F?/?→4I??/? 的电子跃迁。进一步的实验分析显示，发光强度与激发强度之间存在幂律关系，即 I ∝ E?，这一现象符合理论模型的预测。此外，研究还发现，通过极化处理，材料的发光特性发生了显著变化，这与材料的晶体场参数密切相关。具体来说，极化处理后的材料在电场方向平行和垂直的方向上表现出不同的发光行为，这种差异源于晶体对称性的变化。

材料的晶体对称性对其光学性能有着直接的影响。在铁电材料中，极化方向的改变会导致晶体结构的微小畸变，从而影响稀土离子的电子能级分布。这种变化可以通过 Judd-Ofelt 理论进行解释，该理论描述了晶体场对稀土离子发光行为的影响。Judd-Ofelt 参数（Ω?、Ω? 和 Ω?）能够反映材料的晶体对称性，从而预测其发光特性。通过研究这些参数的变化，科学家们能够深入理解压电材料在极化处理后的光学行为。

本研究的意义在于揭示了铁电极化方向与光发射之间的关系。通过调控材料的极化状态，可以实现对光发射特性的精确控制，这为开发新型的压电光子器件提供了理论依据和实验支持。此外，该研究还为压电材料在光电子学领域的应用拓展了可能性，例如在光显示系统、医疗成像设备和光传感器中。这些器件需要能够根据外部条件（如电场或机械应力）进行光学性能的动态调节，而本研究的结果表明，这种调节是完全可行的。

从实验的角度来看，研究团队采用了一种改进的合成方法，以确保获得高质量的 PMN-PT-Er-Yb 陶瓷。通过 X 射线衍射（XRD）分析，他们确认了材料的晶体结构，并发现其主要呈现为四方晶系，同时伴有少量的单斜晶系。这种混合晶体结构可能与材料的相变边界特性有关，也可能是其优异的压电性能和光学性能的基础。随后，他们通过光致发光光谱（PL）分析，进一步验证了材料的发光特性，并发现其在不同极化方向上的发光行为存在显著差异。

研究团队还通过理论模型对实验结果进行了深入分析。他们指出，发光强度与激发强度之间的关系可以用幂律模型进行描述，而这种关系的建立依赖于材料的晶体场特性。在极化处理前后，Judd-Ofelt 参数的变化反映了晶体对称性的变化，从而影响了稀土离子的发光行为。通过比较不同极化方向下的发光数据，研究团队进一步确认了这种对称性变化对光发射的影响。

在实际应用中，这种材料的光学特性可以通过外部电场进行调控，使其在特定方向上产生更强的发光。这种特性为开发具有方向依赖性的光子器件提供了新的思路。例如，在光显示系统中，可以通过改变材料的极化方向，实现不同颜色的光发射，从而提高显示的亮度和色彩饱和度。在医疗成像领域，这种材料的发光特性可以用于增强超声成像的分辨率和对比度，从而提高诊断的准确性。

此外，研究团队还强调了稀土离子共掺杂的重要性。Er3? 和 Yb3? 的共掺杂不仅能够增强发光强度，还能优化发光波长，使其更适用于实际应用。Yb3? 作为敏化剂，能够有效吸收外部激发光，并将其能量传递给 Er3?，从而促进其发光。这种协同效应使得材料在可见光范围内表现出更宽的发光范围和更高的发光效率。

研究团队的工作还为未来的材料设计和优化提供了重要的参考。通过调整稀土离子的浓度、分布以及材料的合成条件，可以进一步优化其光学性能。此外，结合不同的外加条件（如温度、压力和电场），可以实现对材料发光行为的多维度调控，从而满足不同应用场景的需求。这种多功能性和可调性使得稀土掺杂压电材料在光子学领域具有广阔的发展前景。

综上所述，这项研究不仅展示了稀土掺杂压电材料在光学调控方面的潜力，还揭示了铁电极化方向对光发射特性的影响机制。通过实验和理论分析相结合的方法，研究团队为压电光子学的发展提供了重要的科学依据。未来，随着材料合成技术的不断进步和光学调控手段的进一步完善，稀土掺杂压电材料有望在更多领域中得到应用，为光子学技术的发展带来新的突破。