Entdeckung der selbstwiederherstellenden NIR-Mechanolumineszenz von Cr³⁺-dotiertem Perowskit-Aluminat

Mechanolumineszenz (ML) im nahen Infrarot-Spektralbereich (NIR) könnte vielversprechende Anwendungen in der biomechanischen In-situ- und Echtzeit-Bildgebung bieten. Dies ist auf die bessere räumliche Auflösung und Eindringtiefe der biologischen Gewebe, geringere optische Verluste und die Vermeidung von Autofluoreszenz zurückzuführen.

In der Vergangenheit wurden vorwiegend Seltenerdionen als Aktivatoren in ML-Materialien eingesetzt. Die Anpassung der Emissionen seltener Erdionen, insbesondere RE3+, stellt jedoch Herausforderungen dar und schränkt dadurch die praktische Anwendung von NIR-MLs ein. Daher bevorzugen immer mehr Forscher die durch Übergangsmetallionen aktivierten Systeme.

Zuvor haben Puxian Xiong und Kollegen über ein selbstwiederherstellbares NIR-ML-Material in Gallat berichtet, bei dem erstmals Cr3+-Ionen als Emissionszentrum verwendet wurden.

„Tatsächlich bietet LiGa5O8:Cr3+ eine gute ML-Wiederholbarkeit und erfordert keinen Vorbestrahlungsprozess, aber die intrinsischen ML-Mechanismen sind noch nicht ganz klar“, sagt Xiong. „Insbesondere ist unklar, ob die mit remanenten Ladungsträgern besetzten Gitterfallen die ML-Wiederholbarkeit beeinflussen können.“

Bekanntermaßen ist die Vorwärmmethode eine der effektivsten Methoden zur Entfernung der Restladungsträger. In einer neuen Studie veröffentlicht in Fortschrittliche Pulvermaterialien, integrierte das Team die Vorwärmmethode mit entsprechenden ML-Ergebnissen. „Diese Arbeit zielt darauf ab, die Analyse des ML-Mechanismus zu aktualisieren, indem die Einflüsse gespeicherter Träger eliminiert werden“, sagt Xiong, der als Mitautor der Studie fungiert.

Insgesamt wird der mit Cr3+-Ionen dotierte LaAlO3 ML-Leuchtstoff vom Perowskit-Typ erfolgreich durch eine herkömmliche Hochtemperatur-Festkörperreaktionsmethode an der Luft synthetisiert. In Kombination mit Photolumineszenz-, persistenter Lumineszenz-, diffuser Reflexions- und Thermolumineszenzcharakterisierungen wurde der inhärente ML-Mechanismus von den Autoren ausführlich diskutiert.

„Wir haben beobachtet, dass ML in LaAlO3: Cr3+ sich selbst wiederherstellen kann, was sich offensichtlich von den durch Fallen kontrollierten ML-Verbindungen unterscheidet (die UV-Licht zur Vorbestrahlung erfordern). Basierend auf der Vorheizmethode und der entsprechenden ML-Analyse ist ein solches selbstwiederherstellbares ML hängt mehr von der Piezoelektrizität des nicht zentrosymmetrischen LaAlO3: Cr3+ ab“, sagt Xiong.

Unter mechanischen Reizen wird innerhalb der Verbindung ein starkes piezoelektrisches Feld aufgebaut, das groß genug ist, um elektronisch angeregte Zustände der Cr3+-Ionen zu erzeugen, was anschließend zu ML führt. Diese Lumineszenz zeichnet sich durch eine Selbstwiederherstellbarkeit aus, was bedeutet, dass die Verbindung für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden kann.

„Wir haben außerdem große potenzielle Anwendungsaussichten für die Bereiche ML-Bioimaging, Fälschungssicherheit und Informationsverschlüsselung mit der Kodierung und Dekodierung von ASCII-Code aufgezeigt“, fügt Xiong hinzu.