发光材料在逆压电效应引起的双轴应变作用下的光子发射及其光谱特性

Luminescence and optical spectra of the phosphors may be affected by the pressure. Currently, such studies are limited to the employment of traditional approaches such as hydrostatic pressure with uniaxial and non-integrated strain, restricting our understanding of the detailed physical process and observation of novel phenomena. Moreover, an exploration of the related strain-optics integrated devices is hindered. On the other hand, piezoelectric and converse piezoelectric effects widely used in electronic engineering have seldom been applied to luminescent research. This project aims at unlocking a realm in the areas of luminescence and piezoelectric application, and therefore investigating luminescence and optical spectra under strain induced by converse piezoelectric effect. We will design and prepare hybrid systems by combing various phosphors such as rare-earth or transition metal ions doped compounds with piezoelectric crystal. Because of biaxial and uniform strain on the studied optical materials by piezoelectric crystal, it provides us an opportunity to realize photon emission using controllable and dynamic way, and also precisely tune Raman and photoluminescence spectra. Effects of strain strength and dynamical frequency on the material's structure, physical process, and related optical characteristics will be systemically studied. The observed phenomena will be understood deeply through theoretical calculation and modelling. Hence, this project will provide a novel research method and platform for fundamental study of luminescence, leading to the observation of new phenomena compared to the unstrained or conventional pressure conditions. Furthermore, the study is of significance to the development of multifunctional integrated devices and piezo-phototronics field.

目前压力对发光和光谱特性影响的研究主要是采用施加单轴和非集成化的静压力等传统手段。这些方法对研究具体的物理过程和发现新现象都存在局限性，也妨碍了对于应变-光学集成器件的探索。另一方面，已广泛应用于电子技术的压电及其逆效应，却极少用于发光研究。本申请旨在探索发光与压电应用两领域的交叉，在逆压电效应引起的应力条件下，研究材料的发光和光谱性质。我们将设计和制备包括稀土或过渡金属掺杂化合物等体系的发光材料与压电晶体的复合结构。压电晶体产生的双轴均匀的应变，为我们提供了以可控动态方式实现光子发射，以及对拉曼和光致发光光谱进行精确调制的机会。我们将系统研究应变强度和动态频率对材料结构、物理过程和相关光学特性的影响。通过理论建模计算，加深对实验现象的认识。本研究将提供发光学基础研究的新方法和平台，观测到在无应力或常规应力方式下尚未发现的新现象，这对开辟多功能集成化器件和压电光电子学的发展也有重要意义。

发光材料已广泛应用于显示技术、固态照明、激光光源、生物医学、光纤通信等领域。在机械压力外界因素作用下，材料的微观机制如结构对称性、晶体场等可能会相应地改变，从而导致光谱和发光性质的变化。这种应变效应也为我们提供了一个研究材料的结构、能带、能量传递、能级跃迁、电子-离子相互作用、载流子输运和复合等诸多性质的有用手段。传统的静压力方式是通过媒质或机械方式，应变受限于非均匀单轴，也难以将应力效应一体化到光学材料形成集成器件，而对于异质外延应变，本质上是样品内部自然应力，显然受限于所研究的材料与所选取衬底和多层膜间的晶格失配和热膨胀系数。本项目的研究成功地将广泛应用于电子技术的可控压电及其逆效应应用于发光学和发光材料的研究。这种效应在光学材料上的耦合是区别于静压力等传统方法的新型研究手段。我们的研究提供了在发光材料中可能观测到在通常条件下尚未发现现象的机会。本项目制备了敏感于应力的多种形态的光学材料体系，包括稀土或过渡金属掺杂化合物，薄膜、聚合物基复合材料以及新的二维层状结构。通过优化设计，我们制备了应变-光学复合结构。系统地研究了压电晶体的应变和各种材料性质的耦合，并明确了可控应变与光谱和光致发光性质的关系。本研究结果表明这种耦合是和发光材料的晶体取向，形貌等，外界应力参数（应变强度、动态频率等），以及界面耦合方式等相关。这些参数和测量条件直接影响发光光谱和光学性能，如发光强度、光谱波长和荧光寿命等。我们研究明确了应力-光学耦合作用的微观机制和物理过程。我们还制备出非接触机械力聚合物基复合材料，提出了器件工作机理，建立了器件基本模型，对这些模型进行了计算机模拟计算。本研究的完成提供了可控机械应力-发光学基础研究的新型研究测试平台，探索出新的研究手段，有助于推动相关领域的研究，对光电多功能集成化，压电光子学，能量收集型发光器件的发展也具有重要科学意义和潜在的应用前景。