开拓余辉新波段：中国学者在UVC长余辉材料方面取得突破

长余辉材料又称为蓄光型发光材料，其特点在于能够储存激发光能量，并能在激发停止后逐步以光的形式释放储存的能量，是一类重要的发光材料和节能材料。该类材料在应急指示、光电器件、信息存储、生物成像、能源及环境工程等领域得到了广泛的应用。截至目前，具有长衰减时间的可见波段和近红外波段长余辉发光材料相继开发成功并获得应用。鉴于UVC (200-280 nm）光子可以通过破坏细菌、病毒或病原体核酸的方式破坏其繁衍能力，如能获得一种UVC波段的长余辉材料，将极大地促进其在杀菌及癌症治疗等方面的应用。但是，长余辉材料发光波段进一步向UVC波段拓展面临一系列科学难题。

近日，苏州大学材化部的孙洪涛教授课题组与河北大学的杨艳民教授课题组、北京航空航天大学的张俊英教授课题组、中科院上海光机研究所及日本广岛大学的科研人员合作，在UVC波段长余辉材料方面获得重要突破，首次获得了一种初始UVC余辉功率密度超过10毫瓦每平方米、余辉衰减超过两小时的新型长余辉发光材料，并系统研究了长余辉发光机理。相关研究结果发表在Light: Science & Applications上。

研究者首先提出开发UVC长余辉材料的四个基本设计原则：（1）由于发光离子决定长余辉发光波段，因此选择发射UVC光子的活性离子是首要条件；（2）与可见和近红外长余辉材料的基质相比，UVC长余辉材料的带隙要足够大以确保UVC光子能够顺利释放；（3）UVC长余辉材料能够有效激发；（4）合适深度的电子陷阱使材料具有优良的能量储备和释放特点以确保余辉的时间足够长、余辉足够强。针对这些设计原则，研究者创新性地筛选镨掺杂的缺陷态冰晶石（Cs₂NaY_1-xPr_xF_yO_z）作为研究对象，其基本思路如下：冰晶石中的Cs具有强X射线吸收能力，从而使材料可以被X射线激发；冰晶石结构带隙超过10 eV且容易产生缺陷，这些缺陷可以作为电子捕获中心；Pr³⁺的4f5d-4f²跃迁在UVC波段。

为了验证以上设想的可能性，研究者通过传统固相合成技术合成镨掺杂荧光粉，发现经过X射线激发后，镨掺杂冰晶石展现出优良的UVC长余辉性能，初始余辉功率密度超过10毫瓦每平方米（图1a-c）、余辉衰减时间长于两小时。而且，即使余辉衰减到高灵敏探测器难以探测时，其储存的大量能量仍然可以通过加热、近红外光或可见光激发的方式持续释放（图1d-g）。有趣的是，研究者通过大量的实验及理论计算，发现冰晶石中含有大量的氧原子及阴离子空位，这种缺陷态结构中存在大量的电子捕获陷阱，并且陷阱深度可以通过调控缺陷类型实现调制，以最大限度地提高余辉强度和延长余辉时间。在此研究基础上，研究者提出了UVC长余辉的发光机理。

图1. X射线激发1000 s后镨掺杂氟化物冰晶石的UVC余辉性质。（a）X射线激发后样品不同时间的余辉发射光谱，其中位于250和270 nm的UVC发射峰分别对应于Pr³⁺的4f5d→³H₄和4f5d→³H₅能级跃迁；（b）停止X射线激发5 min后250 nm的余辉衰减曲线；（c）X射线激发后不同延迟时间的UVC余辉照片；（d）样品衰减24 h后置于200 °C热台上加热时的UVC余辉照片；（e-g）样品衰减24 h后在激发光功率密度为1.77 W/cm²的(e) 793 nm、(f) 730 nm和(g) 450 nm的激光照射下的UVC余辉图

研究者进一步展示了开发的UVC长余辉材料在杀菌方面的应用，发现其余辉强度足以杀死绿脓杆菌。由于该UVC长余辉材料可以被X射线反复激发并且近红外光可以使其储存的能量进一步释放，预示着其在癌症治疗方面具有重要的应用前景。

该工作首次系统报道了UVC长余辉材料的设计、制备及应用，为该类材料的开发提供了重要的研究思路，进一步的研究有望开发出更多性能优良的材料体系，极大地促进长余辉材料在杀菌、消毒、药物释放、癌症治疗及信息防伪等领域的应用。该工作为长余辉材料开辟了新的研究方向，基于UVC长余辉材料的设计与调控将使人们更好的认识这一古老而又充满活力的发光材料。

该论文作者为：Yan-Min Yang, Zhi-Yong Li, Jun-Ying Zhang, Yue Lu, Shao-Qiang Guo, Qing Zhao, Xin Wang, Zi-Jun Yong, Hong Li, Ju-Ping Ma, Yoshihiro Kuroiwa, Chikako Moriyoshi, Li-Li Hu, Li-Yan Zhang, Li-Rong Zheng & Hong-Tao Sun

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

X-ray-activated long persistent phosphors featuring strong UVC afterglow emissions

Light-Sci. Appl., 2018, DOI: 10.1038/s41377-018-0089-7

导师介绍

孙洪涛

http://www.x-mol.com/university/faculty/12942