北科大刘泉林教授团队《Adv Mater》：ZnS:Mn/Cu的相变操控及力致发光

第一作者：刘洪珍，博士研究生

通讯作者：刘泉林，教授，博士生导师

作者单位：北京科技大学 材料科学与工程学院

研究背景

在智能传感、动态显示和人工智能等前沿领域，力致发光材料凭借对机械刺激的光学响应而引起广泛关注。其中，Mn/Cu掺杂的硫化锌（ZnS）体系被视为最具潜力的代表之一，不仅已广泛应用于电致发光和光致发光器件，还在动态机械作用下表现出明亮的发光、低激发阈值和良好的自恢复性能，为新一代柔性光电器件的发展提供了可能。然而，尽管ZnS:Mn/Cu体系的应用前景广阔，其内在机理仍存在诸多未解之谜。尤其是从“力”到“光”的能量转换过程涉及压电响应、位错运动、能带结构调制和缺陷态演变等多个复杂因素的耦合作用，其微观机理尚不明确。相比ZnS:Mn，ZnS:Cu的基础研究仍较为薄弱，缺乏能够统一描述力致发光行为的物理模型。值得注意的是，相变为调控材料性能提供了一条新路径，特别是压力诱导相变不仅能触发位错的产生与运动，还可能成为揭示力致发光本质的突破口。因此，如何在简便、可控条件下诱导ZnS相变，并揭示其与ML行为的内在联系，成为深入理解其本质机理的关键之一。

研究内容

近日，北京科技大学刘泉林教授团队，采用简便的实验手段实现了对ZnS:Mn/Cu相变的连续调控，并揭示了ZnS:Mn与ZnS:Cu中位错介导的力致发光行为。该研究通过精确调控单轴压力(0-30 MPa)，首次在室温下实现了六方纤锌矿(wt-ZnS)向立方闪锌矿(sp-ZnS)的逐步相变，并借助热退火处理实现了可逆相变循环。单轴压力驱动的螺型位错滑移在wt-ZnS晶格中诱导形成sp-ZnS堆垛层错，其密度随压力和掺杂浓度变化，并可通过热处理部分恢复。在压力诱导相变的过程中，ZnS:Mn表现出力致发光显著增强和光致发光减弱的现象，揭示了位错在力致发光与光致发光能量转移过程中的作用；而ZnS:Cu的力致发光和光致发光强度均呈现显著猝灭，阐明了位错对Mn和Cu发光中心的电子-空穴复合过程的影响机制。本研究提出了一种可控相变的新策略，深化了对ML微观机理的理解，为力致发光材料设计与性能优化提供了参考。相关成果以题为“Mechanoluminescence of ZnS Under Easily Tailored Phase Transitions.”发表在Advanced Materials期刊。

图1. ZnS基发光材料的相变设计和两相比例随压力、温度和成分的变化

图2. ZnS:Mn在单轴压力和热处理条件下的微观结构特征

图3. ZnS:Mn/Cu在不同压力和温度调控下的力致发光性能和光学带隙

图4. ZnS:Mn/Cu在单次和多次压力-热循环控制下的力致发光性能

图5. ZnS:Mn,Cu在压力和热处理下的相变与发光性能的关系，揭示了位错介导的相变及其力致发光和光致发光过程与机理

论文信息

Mechanoluminescence of ZnS Under Easily Tailored Phase Transitions.

Hongzhen Liu, Yuhe Shao, Zhen Song, Jing Zhao, Quanlin Liu*（刘泉林，北京科技大学）

Advanced. Materials. 2025, e11469

论文链接:

https://doi.org/10.1002/adma.202511469

来源 I 北科大材料、刘泉林教授团队