A mecanoluminescência (ML) é um tipo de luminescência induzida por qualquer ação mecânica sobre um sólido, levando a uma gama de aplicações na pesquisa de materiais, fotônica e óptica. Por exemplo, a ação mecânica pode liberar energia previamente armazenada na rede cristalina de fósforo por meio de portadores de carga presos. Contudo, o método tem limites ao registrar emissões de ML durante um evento induzido por pressão. Em um novo estudo, Robin R. Petit e uma equipe de pesquisa do LumiLab, O Departamento de Ciências do Estado Sólido da Universidade de Ghent - Bélgica desenvolveu uma nova técnica para adicionar uma função de memória a fósforos sensíveis à pressão. Usando o método, os cientistas obtiveram uma leitura óptica da localização e intensidade de um evento de pressão três dias (72 horas) após o evento.

A equipe observou o resultado usando oxinitreto de silício de bário dopado com Europium (BaSiO ₂ N ₂ :Eu ²⁺ ) fósforo, que continha uma ampla distribuição de profundidade de armadilha ou profundidade de distribuição de defeito - essencial para a função de memória exclusiva. Os elétrons excitados do fósforo preencheram as 'armadilhas' (ou defeitos) na estrutura do cristal, que pode ser esvaziado aplicando peso para emitir luz. A equipe de pesquisa combinou luminescência estimulada opticamente (OSL), termoluminescência (TL) e medições de ML para analisar cuidadosamente a influência da luz, calor e pressão na distribuição da profundidade da armadilha. Com base no efeito de memória, os materiais lembravam do local em que a pressão ocorreu, ajudando os pesquisadores a desenvolver novas aplicações de detecção de pressão e estudar transições de portadores de carga dentro de fósforos de armazenamento de energia. O trabalho agora está publicado em Light:Ciência e Aplicações .

Quando materiais específicos são submetidos à ação mecânica, a emissão de luz pode ser observada como mecanoluminescência (ML). O processo pode ser induzido por meio de diferentes tipos de estresse mecânico, incluindo fricção, fratura, dobrando, impacto de um peso e até ultrassom, cristalização e vento. O fenômeno pode ser usado para identificar a distribuição de tensões, propagação de microfissuras e danos estruturais em sólidos, enquanto permite uma variedade de aplicações em monitores, para visualizar ultrassom e até mesmo mapear caligrafia personalizada. Contudo, a técnica é limitada pela gama de cores de emissão, restrição de medições em tempo real e visibilidade de sinal restrita.

Usando eu ²⁺ BaSiO dopado ₂ N ₂ fósforo como exemplo, os cientistas primeiro excitaram o fósforo com luz ultravioleta (UV) ou azul para colocá-lo em um estado de excitação. Quando o íon transita de volta ao estado fundamental, eles observaram uma emissão de cor azul-esverdeada. Os pesquisadores já haviam mostrado que a retirada do encapsulamento termicamente assistida (remoção de elétrons de uma armadilha) permitia fósforos 'que brilham no escuro' para sinalização de segurança ou funções de bioimagem. A aplicação de pressão na configuração induziu de forma semelhante a retirada de encapsulamento induzida por pressão e térmica para se tornarem processos concorrentes. Os cientistas evitaram a presença de emissão de fundo ou brilho residual na configuração para aumentar a visibilidade do sinal. Nesse trabalho, Petit et al. introduziu a propriedade de memória de pressão (P-MEM), o que permitiu que as partículas de fósforo que foram submetidas à pressão lembrassem o processo sob radiação infravermelha (IR) mais de 72 horas após a aplicação da pressão.

A equipe investigou os princípios de trabalho subjacentes da propriedade P-MEM (pressão-memória) usando uma gama relativamente grande de profundidades de armadilha dentro do fósforo, onde armadilhas diferentes responderam de forma diferente a estímulos específicos (pressão, aquecer, luz). Quando eles induziram mecanicamente o desencapsulamento, alguns dos portadores de carga se recombinaram para produzir emissão de luz imediata, enquanto outros foram redistribuídos em armadilhas relativamente rasas ou quase permanentemente armazenados em armadilhas profundas. Para liberar as cargas em armadilhas profundas, eles usaram radiação IV. O trabalho abre novos caminhos para a detecção de pressão e facilita o estudo de fósforos de armazenamento de energia, sondando interações sutis entre térmicas, desempacotamento mecânico e óptico.

Para testar a reprodutibilidade dos testes de ML, os cientistas primeiro realizaram estimulação mecânica arrastando de forma não destrutiva uma haste de formato esférico pela superfície do fósforo. Eles garantiram a reprodutibilidade das medições, recuperando a intensidade inicial de ML após cada etapa de excitação de UV. A capacidade das armadilhas de armazenamento ativo permaneceu inalterada devido à estimulação mecânica, enquanto o processo de arrastar permaneceu não destrutivo. Para alcançar a propriedade P-MEM, a equipe combinou estímulos mecânicos e ópticos no laboratório, eles usaram pressão para mover os elétrons e meios ópticos para ler os resultados.

Primeiro, eles expuseram o cristal à luz ultravioleta seguida por estimulação de ML arrastando uma haste para frente e para trás várias vezes, então irradiou a amostra usando o laser IR. Durante a estimulação IR, o espectro de emissão originado da UE ²⁺ centro luminescente em BaSiO ₂ N ₂ . A equipe investigou a relação entre a intensidade da luminescência e a magnitude da carga no experimento; que aumentou linearmente com a carga aplicada. Aplicar cargas mais altas para estimulação mecânica esvaziou mais armadilhas no cristal para liberar mais portadores de carga. Alguns dos elétrons liberados recombinados imediatamente com íons de európio ionizado para produzir o sinal de ML comum.

Depois de testar exaustivamente a configuração, Petit et al. observaram a origem do P-MEM usando termoluminescência (TL) para revelar a ocupação de armadilhas em fósforos. Por esta, eles dividiram as curvas de brilho TL em três regiões contendo um raso (25 graus C a 45 graus C), intermediário (45 graus C a 80 graus C) e região de armadilha profunda (> 80 graus). Os resultados implicaram que a propriedade P-MEM foi baseada em um evento de rearranjo para liberar portadores de carga que ocupavam níveis de armadilha profundos.

Era igualmente importante para a equipe de pesquisa visualizar o sinal P-MEM em função do tempo. Eles conseguiram isso realizando um experimento dedicado para testar a influência da irradiação IR e observaram dois efeitos relativos a (1) esvaziamento dos níveis de armadilhas profundas, seguido pela (2) decadência subsequente originada do esgotamento gradual dos níveis de armadilha rasos e intermediários. Devido à estabilidade das armadilhas profundas, depois de otimizar a configuração, a equipe observou o sinal P-MEM com intensidade suficiente - três dias após a aplicação de pressão e leitura assistida por irradiação IV.

Desta maneira, Robin R. Petit e colegas detalharam uma interação específica entre o desempacotamento mecânico e óptico em BaSiO ₂ N ₂ :Eu ²⁺ , o que levou à propriedade P-MEM única observada no estudo. Eles recuperaram um sinal de ML induzido por pressão após a irradiação IR do fósforo, com base nas interações detalhadas. Quando eles realizaram o desencapsulamento óptico com irradiação IR, as armadilhas mais profundas esvaziaram-se rapidamente para criar uma força de sinal aumentada em locais onde a pressão havia ocorrido anteriormente, até 72 horas entre os estímulos de pressão e a leitura de IR. As armadilhas profundas desempenharam um papel significativo na obtenção do fenômeno P-MEM e podem ser estendidas para horas ainda mais longas.

O trabalho abre um novo caminho para armazenamento e recuperação de informações, enquanto a estimulação mecânica fornece uma maneira única de escrever informações. O P-MEM descrito tem grande potencial em aplicações de monitoramento de integridade estrutural e em biomedicina. Os resultados abrangentes indicam que ainda há muito a ser compreendido sobre o funcionamento interno dos fenômenos luminescentes em relação às rotas de retirada e retirada de embalagem, garantindo uma pesquisa mais aprofundada.

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