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【国内论文】APR|中国计量大学白功勋教授&北邮吴真平教授团队：基于氧化镓异质结工程激活型镓酸盐半导体近红外力致发光增强效应及其智能传感
日期：2026-05-09阅读：55
由中国计量大学白功勋和王建峰半导体物理与多尺度计量团队联合北京邮电大学吴真平团队在学术期刊Applied Physics Reviews发布了一篇名为Boosting near-infrared mechanoluminescence from activated gallate solids by Ga₂O₃ heterojunction engineering for intelligent sensing（基于Ga₂O₃异质结工程的激活型镓酸盐固体近红外机械致光效应增强及智能传感）的文章。
背景
力致发光（ML）材料可将拉伸、压缩、摩擦等机械刺激直接转化为光信号，无需外部激发源，在无线传感、防伪、生物成像、人工皮肤等领域极具应用价值。传统商用力致发光材料多集中在可见光波段（400–650 nm），用于生物场景时，易与组织自发荧光重叠、在生物介质中光子散射严重，难以实现深层组织成像与高分辨传感。近红外（NIR，700–1700 nm）波段因光子散射弱、组织自发荧光低，具备更优的穿透深度与成像对比度，是生物成像的理想波段。Cr³⁺作为近红外发光中心，通过 3d 电子跃迁可实现 NIR-I 生物窗口宽谱可调发射，但受限于晶体场环境弱，发射宽且效率低，发光强度不足。现有近红外力致发光材料普遍存在发光强度低、环境稳定性差、光谱覆盖不足等问题，制约其生物医学应用。因此，通过材料结构设计提升 Cr³⁺基近红外力致发光性能，成为该领域的核心研究方向。
主要内容
研究团队采用异质结工程策略增强了 LiGa₅O₈/Ga₂O₃:Cr³⁺复合材料的近红外力致发光性能。与单相 LiGa₅O₈相比，发光强度提升了 416%。Ga₂O₃ 的引入在 Cr³⁺ 发光中心周围形成更深的电子陷阱并增强晶体场，从而提高了 700–750 nm 范围内的发射效率。密度泛函理论计算表明，界面处的轨道杂化降低了复合势垒并促进了辐射跃迁。优化后的复合材料在 240 h 内表现出优异的水稳定性，而利用聚二甲基硅氧烷制备的柔性薄膜能够通过生物组织实现高效的力致发光成像，该性能在鸡关节实验中得到验证。这些发现为开发用于体内监测、生物医学成像、无线传感和智能传感的高性能近红外力致发光材料提供了有前景的途径。
创新点
• 首次采用Ga₂O₃异质结工程改性LiGa₅O₈:Cr³⁺，近红外力致发光强度较单相提升 416%；
• 揭示异质结界面调控陷阱深度分布、增强 Cr³⁺ 晶体场、降低载流子复合势垒的协同增强机制；
• 构建 SiO₂ 辅助应力传递体系，进一步提升发光强度与机械/化学稳定性；
• 实现柔性薄膜在生物组织穿透成像、信息加密、电子签名与三维应力传感的多功能应用。
总结
该团队深入研究了 LiGa₅O₈/Ga₂O₃:Cr³⁺ 异质结中的应力诱导力致发光，重点关注其在柔性可拉伸光机械设备中的应用。通过将 Ga₂O₃ 与 LiGa₅O₈ 复合，并掺入 SiO₂作为强度增强剂，LiGa₅O₈/0.8Ga₂O₃:Cr³⁺ 复合材料的力致发光强度显著提升 416%。这种显著的增强归因于协同效应：增加的陷阱密度与更均匀的陷阱深度分布，共同促进更有效的载流子释放和辐射复合。研究确定了最大化力致发光强度的最佳 LiGa₅O₈ 与 Ga₂O₃ 比例为 5:4。当 Ga₂O₃ 比例进一步增加时，性能有所下降，其原因在于陷阱均匀性降低以及非辐射过程增强。这种异质结工程策略得到了成功验证，并在多种潜在应用中表现出显著优势，包括穿透生物组织（如鸡皮）、信息加密和电子签名。研究结果强调了 LiGa₅O₈/Ga₂O₃:Cr³⁺复合材料在下一代生物医学传感和防伪技术中的巨大应用潜力。
项目支持
本研究得到浙江省自然科学基金（LR24F050002）、国家自然科学基金（62175225）资助，部分资金来自欧盟地平线欧洲研究与创新计划下的玛丽・居里合作基金（Physics for Future，Grant No. 101081515）。
图 1 (a) 不同摩尔比样品 LiGa₅O₈/xGa₂O₃:0.03Cr³⁺(x=0-1.0) 的 XRD 图谱。(b) LiGa₅O₈/0.8Ga₂O₃:0.03Cr³⁺荧光粉的 SEM 图像。(c) LiGa₅O₈/Ga₂O₃:Cr³⁺的高分辨 TEM 图像。(d) LiGa₅O₈和 Ga₂O₃荧光粉的晶体结构。(e) LiGa₅O₈/Ga₂O₃:Cr³⁺荧光粉中所有元素的 XPS 图谱。(f) LiGa₅O₈/Ga₂O₃:Cr³⁺荧光粉的Cr 2p 核心能级高分辨 XPS 光谱。
图 2 (a) 20N 力作用下 LiGa₅O₈/xGa₂O₃:0.03Cr³⁺(x=0-1.0) 薄膜的力致发光光谱。(b) LiGa₅O₈/0.8Ga₂O₃:0.03Cr³⁺的光致发光与力致发光光谱。(c) 2–20N 压力下 LiGa₅O₈/0.8Ga₂O₃:0.03Cr³⁺的力致发光光谱。(d) LiGa₅O₈/0.8Ga₂O₃:0.03Cr³⁺与 LiGa₅O₈:0.03Cr³⁺的热释光曲线。(e) LiGa₅O₈/0.8Ga₂O₃:0.03Cr³⁺在空气中放置 240h 后的力致发光光谱。(f) LiGa₅O₈/0.8Ga₂O₃:0.03Cr³⁺弹性体在 5N 连续拉伸 - 释放 10 个循环下的力致发光衰减行为。(g) 循环稳定性测试中 LiGa₅O₈/0.8Ga₂O₃:0.03Cr³⁺弹性体的力致发光光谱与强度。(h) LiGa₅O₈与 Ga₂O₃异质结形成驱动的力致发光过程。
图 3 (a) 体相 LiGa₅O₈的态密度（DOS）。(b) 体相 Ga₂O₃的态密度。(c) LiGa₅O₈/Ga₂O₃异质结界面的态密度，展示界面处的电子结构调控。(d) Ga₂O₃层中 O 与 Ga 分别对应的价带偏移（VBO）与导带偏移（CBO）。(e) LiGa₅O₈层中 O 与 Ga 分别对应的价带偏移与导带偏移。
图 4 (a) 用于评估力致发光薄膜机械 - 光子转换效率的实验装置示意图。(b) 含不同氧化物纳米颗粒薄膜的力致发光光谱，插图为含不同氧化物纳米颗粒薄膜的力致发光强度。(c) 20N 力作用下不同 SiO₂含量的 LiGa₅O₈/0.8Ga₂O₃:0.03Cr³⁺@SiO₂复合薄膜的力致发光光谱。(d) 不同 SiO₂掺杂比例下 LiGa₅O₈/0.8Ga₂O₃:0.03Cr³⁺的力致发光光谱强度图。(e) 420nm 激发下 705nm 与 720nm 处发射强度随 SiO₂掺杂比例的变化。(f) LiGa₅O₈/0.8Ga₂O₃:0.03Cr³⁺与 LiGa₅O₈/0.8Ga₂O₃:0.03Cr³⁺@SiO₂复合薄膜的循环稳定性测试。(g) LiGa₅O₈/0.8Ga₂O₃:0.03Cr³⁺与 LiGa₅O₈/0.8Ga₂O₃:0.03Cr³⁺@SiO₂复合薄膜在去离子水中浸泡时间的力致发光光谱。(h) LiGa₅O₈/0.8Ga₂O₃:0.03Cr³⁺与 LiGa₅O₈/0.8Ga₂O₃:0.03Cr³⁺@SiO₂复合薄膜在去离子水中浸泡不同时间（1–240h）后的力致发光强度变化。
图 5 (a) LiGa₅O₈/0.8Ga₂O₃:0.03Cr³⁺@SiO₂在电子签名中的应用，展示签名过程中的光谱响应与信息加密照片。(b) 样品的无损成像。(c) 薄膜在鸡爪上弯曲后由近红外相机拍摄的照片。(d) 复合薄膜放置在弯曲鸡爪上前后的力致发光光谱。(e) LiGa₅O₈/0.8Ga₂O₃:0.03Cr³⁺@SiO₂荧光粉排布成立方体用于三维力致发光成像。
DOI：
10.1063/5.0320073
