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Pressure- and Rate-Dependent Mechanoluminescence with Maximized Efficiency and Tunable Wavelength in ZnS: Mn2+, Eu3+
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2023-06-05 , DOI: 10.1021/acsami.3c04093 Hao Wang 1 , Xiaohui Chen 2 , Junlong Li 1, 3 , Mei Li 1 , Ke Liu 1 , Dongliang Yang 3 , Shang Peng 1 , Tingting Zhao 1 , Bohao Zhao 1 , Yanchun Li 3 , Yonggang Wang 4 , Chuanlong Lin 1 , Wenge Yang 1
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2023-06-05 , DOI: 10.1021/acsami.3c04093 Hao Wang 1 , Xiaohui Chen 2 , Junlong Li 1, 3 , Mei Li 1 , Ke Liu 1 , Dongliang Yang 3 , Shang Peng 1 , Tingting Zhao 1 , Bohao Zhao 1 , Yanchun Li 3 , Yonggang Wang 4 , Chuanlong Lin 1 , Wenge Yang 1
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Mechanoluminescence (ML) has received widespread attention because of potential application in stress sensors and imaging. However, pursuing highly efficient ML remains a challenge due to multifactorial limitations such as pressure and loading rate. Here, we systematically investigate pressure- and rate-dependent ML in Mn2+ and Eu3+ co-doped ZnS in a gigapascal pressure range by using a high-pressure dynamic diamond anvil cell and microsecond time-resolved fluorescent methods and demonstrate the giant tunability in both ML efficiency and wavelength. Compressed from ambient pressure to 11 GPa at different compression rates, ZnS: Mn2+, Eu3+ exhibits a volcano shape in ML emission efficiency with an optimum at ∼3.5 GPa and ∼211.1 GPa/s, at least 1000-fold higher than that measured in the MPa range. The pressure-dependent ML is accompanied with a tunable yellow-to-red emission color change. A combination of high-pressure X-ray diffraction and photoluminescence measurements reveals that the pressure- and rate-dependent ML behavior derives from pressure-induced strengthening of the crystal piezoelectric field and enhanced interaction between the host lattice and doped ions with a significant change of the energy level of the Mn ion. Significantly, the highly efficient ML of ZnS: Mn2+, Eu3+ at the GPa level is reproducible under a compression-decompression process and can be manipulated on a micron scale, implying great potential in mechanical-optical energy conversion and application in dynamic pressure imaging, stress sensors, and multicolor displays.
中文翻译：
在 ZnS 中具有最大效率和可调波长的压力和速率依赖性机械发光：Mn2+、Eu3+
机械发光 (ML) 由于在应力传感器和成像中的潜在应用而受到广泛关注。然而，由于压力和加载率等多因素限制，追求高效的 ML 仍然是一个挑战。在这里，我们通过使用高压动态金刚石砧座和微秒时间分辨荧光方法，系统地研究了千兆帕压力范围内Mn 2+和 Eu 3+共掺杂 ZnS中压力和速率依赖性 ML ，并展示了巨大的ML 效率和波长的可调谐性。以不同的压缩率从环境压力压缩到 11 GPa，ZnS：Mn 2+，Eu 3+在 ML 发射效率方面表现出火山形状，最佳值为~3.5 GPa 和~211.1 GPa / s，至少比 MPa 范围内测量的高 1000 倍。压力依赖性 ML 伴随着可调谐的黄色到红色发射颜色变化。高压 X 射线衍射和光致发光测量的结合表明，压力和速率依赖性 ML 行为源于压力诱导的晶体压电场增强和主晶格与掺杂离子之间相互作用的增强，具有显着的变化Mn 离子的能级。值得注意的是，ZnS 的高效 ML：Mn 2+ , Eu 3+GPa 水平的材料在压缩-减压过程中是可重现的，并且可以在微米尺度上进行操作，这意味着在机械光能转换以及在动态压力成像、应力传感器和多色显示器中的应用具有巨大潜力。
更新日期：2023-06-05
中文翻译：
在 ZnS 中具有最大效率和可调波长的压力和速率依赖性机械发光：Mn2+、Eu3+
机械发光 (ML) 由于在应力传感器和成像中的潜在应用而受到广泛关注。然而，由于压力和加载率等多因素限制，追求高效的 ML 仍然是一个挑战。在这里，我们通过使用高压动态金刚石砧座和微秒时间分辨荧光方法，系统地研究了千兆帕压力范围内Mn 2+和 Eu 3+共掺杂 ZnS中压力和速率依赖性 ML ，并展示了巨大的ML 效率和波长的可调谐性。以不同的压缩率从环境压力压缩到 11 GPa，ZnS：Mn 2+，Eu 3+在 ML 发射效率方面表现出火山形状，最佳值为~3.5 GPa 和~211.1 GPa / s，至少比 MPa 范围内测量的高 1000 倍。压力依赖性 ML 伴随着可调谐的黄色到红色发射颜色变化。高压 X 射线衍射和光致发光测量的结合表明，压力和速率依赖性 ML 行为源于压力诱导的晶体压电场增强和主晶格与掺杂离子之间相互作用的增强，具有显着的变化Mn 离子的能级。值得注意的是，ZnS 的高效 ML：Mn 2+ , Eu 3+GPa 水平的材料在压缩-减压过程中是可重现的，并且可以在微米尺度上进行操作，这意味着在机械光能转换以及在动态压力成像、应力传感器和多色显示器中的应用具有巨大潜力。
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