Pressure- and Rate-Dependent Mechanoluminescence with Maximized Efficiency and Tunable Wavelength in ZnS: Mn2+, Eu3+

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作者
Hao Wang,Xiaohui Chen,Junlong Li,Mei Li,Ke Liu,Dongliang Yang,Shang Peng,Tingting Zhao,Bohao Zhao,Yanchun Li,Yonggang Wang,Chuanlong Lin,Wenge Yang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (23): 28204-28214 被引量:23
标识
DOI:10.1021/acsami.3c04093
摘要

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.
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