Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 7, стр. 1010-1013

В последние годы наблюдается возросший интерес к работам, направленным на разработку элементной базы нано-микро-электроники и оптоэлектроники на основе материалов, в которых электрическими, излучательными и оптическими свойствами можно управлять деформированием материала при механическом воздействии. Формируется новое направление исследований – стрейтроника. В частности, большой интерес представляют материалы, в которых зонная структура, положение примесных уровней и дефектов чувствительны к деформациям материала и могут значительно смещаться в результате деформации, что приводит к изменению оптических и электрических свойств материала. Как правило, такие материалы одновременно обладают пьезоэлектрическими, фосфоресцентными и механолюминесцентными свойствами и способны эффективно преобразовывать механические воздействия (деформации) в оптическое излучение.

Механолюминесцирующие материалы, способные эффективно преобразовывать механические воздействия в оптический сигнал, представляют большой интерес для создания механо-оптических конверторов, сенсорных элементов и датчиков [1–7]. В сочетании с элементами оптоэлектроники и полупроводниковой электроники их можно использовать для создания интеллектуальных систем измерения, контроля и управления в робототехнике, в авиационной и космической технике [8–10]. Наиболее известным представителем этого типа материалов является ZnS:Mn²⁺. К настоящему времени синтезирован широкий спектр материалов, которые обладают высокой эффективностью преобразования внешнего механического воздействия в оптическое излучение. Получены материалы, механолюминесценция которых перекрывает практически весь видимый диапазон длин волн. Известны также материалы, которые эффективно механолюминесцируют в ближней ИК-области. Как правило, это мелкодисперсные порошкообразные диэлектрические или полупроводниковые материалы, легированные люминесцентными примесями. Ведутся исследования механизма и способов возбуждения механолюминесценции в разных материалах с целью повышения их эффективности механо-оптического преобразования.

В данной работе изучались фото- и механолюминесценция композитного слоя, полученного из полимерного материала полиметилметакрилата и мелкодисперсного порошка (средний размер микрочастиц порошка ≈65 мкм) люминофора SrAl₂O₄:(Eu²⁺, Dy³⁺). Для возбуждения фотолюминесценции использовался набор лазеров с разными длинами волн. Механолюминесценция возбуждалась воздействием коротких акустических импульсов. Механолюминесцирующий порошок был получен методом высокотемпературного спекания окислов Al₂O₃, Eu₂O₃, Dy₂O₃ и SrCO₃.

На рис. 1а, 1б представлены результаты рентгенофазового анализа механолюминесцентного порошка SrAl₂O₄:(Eu²⁺, Dy³⁺) и для сравнения – результаты рентгенофазового анализа порошка SrAl₂O₄ [11], имеющего моноклинную кристаллическую структуру с пространственной группой симметрии P21(4). Как видно из рисунка, кристаллическая структура микрочастиц исследуемого порошка соответствует кристаллической структуре SrAl₂O₄ т.е. также имеет нецентросимметричную моноклинную кристаллическую решетку с пространственной группой симметрии P21(4).

На рис. 2 показаны фотографии порошка SrAl₂O₄:(Eu²⁺, Dy³⁺), полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа. Чувствительный к механическим воздействиям композиционный механолюминесцирующий слой (сенсорный слой) толщиной Δh ≈ 200 мкм формировался непосредственно в поверхностном слое прозрачного в видимой области спектра пластины полиметилметакрилата (см. рис. 3).

На рис. 4 представлена схема экспериментальной установки для исследования кинетики механолюминесценции, возбуждаемой воздействием коротких акустических импульсов. Акустические импульсы получали в результате воздействия коротких лазерных импульсов в воде на поверхность металлической пластины, контактирующей с механолюминисцирующим слоем. Для этого на поверхность композитного слоя наклеивали металлическую (из нержавеющей стали) пластину 1 толщиной 100 мкм. Важно, чтобы металлическая пластина имела хороший акустический контакт с поверхностью композиционного материала. Образец устанавливали в камеру с водой. Лазерный импульс 5 (W_имп ≈ 10 мДж, τ ≈ 7 нс, λ = = 355 нм) фокусировали на поверхность пластинки 1 в пятно диаметром d_лаз = 0.5–2.0 мм.

При воздействии лазерного импульса возбуждался акустический импульс, исходящий из области воздействия лазерного импульса на пластинку. Распространяясь через металлическую пластину акустический импульс доходил до контактирующего с ним механолюминесцирующего слоя 2 и возбуждал сигнал механолюминесценции. Регистрацию сигнала механолюминесценции осуществляли с помощью фотоумножителя 4.

На рис. 5 показан сигнал механолюминесценции, возбуждаемый акустическим импульсом, возникающим при воздействии лазерного импульса на металлическую пластинку. На рис. 6 для сравнения показан сигнал механолюминесценции, возбуждаемый механическим ударником.

Согласно [12], в режиме развитого лазерного испарения, когда I_las >I_th, давление пара в области воздействия лазерного излучения можно оценить с помощью следующего выражения:

где p_e – внешнее давление, T_ev – температура кипения материала, q₁ – теплота испарения на один атом вещества мишени, I_las – плотность мощности лазерного излучения, I_th – порог развитого испарения, q – удельная теплота испарения, α_abs – коэффициент поглощения лазерного излучения, ρ – плотность материала мишени, χ – коэффициент температуропроводности материала мишени, τ – длительность лазерного импульса.

При воздействии акустического импульса происходит деформация поликристаллических микрочастиц люминофора, состоящих из большого числа зерен. В поликристаллических материалах деформация происходит в основном в результате межзеренного проскальзывания за счет движения зернограничных дислокаций. Известно [13], что в окрестности дислокаций имеются достаточно высокие напряжения σ(r, θ), которые могут приводить к искривлению (смещению) энергетических зон и уровней примесей и дефектов:

где ν – коэффициент Пуассона, b – вектор Бюргерса, G – модуль упругости, r – расстояние от ядра дислокации. В поле напряжений дислокаций происходит смещение энергетических уровней ловушек в сторону зоны проводимости: где E_d – положение уровня ловушки вдали от дислокации, $\frac{{\Delta V}}{V}$ – относительное изменение обьема в окрестности дислокации, θ, β – постоянные коэффициенты.

В результате энергетическое расстояние ΔЕ между уровнями ловушек Dy³⁺ и дном зоны проводимости уменьшится (рис. 7):

В то же время вероятность туннельных переходов электронов с заполненных уровней ловушек в зону проводимости резко возрастет. Далее происходит безызлучательный захват электронов из зоны проводимости люминесцирующими центрами (ионами Eu³⁺); в результате появляются возбужденные ионы Eu²⁺* (Eu³⁺ → Eu²⁺*). Механолюминесценция обусловлена излучательными переходами ионов Eu²⁺*.