本文由Tomoki Uchiyama（东北大学材料科学系）、Xu-Gang Zheng（东北大学材料科学系与佐贺大学物理系）和Chao-Nan Xu（东北大学材料科学系，通讯作者）合作完成，发表于APL Materials期刊2024年9月30日的第12卷，文章标题为《A perspective on mechanoluminescence and multipiezo in ferroelectric materials》。
本文是一篇前瞻性综述（perspective），聚焦于机械发光（mechanoluminescence, ML）和多压电（multipiezo）效应在铁电材料中的研究进展。机械发光是指材料在机械应力作用下发光的现象，而多压电材料则指同时具备压电性（piezoelectricity）和压电发光（piezoluminescence）特性的材料。
近年来，SrAl₂O₄:Eu²⁺和ZnS:Mn²⁺等材料的发现使可重复机械发光（elasticoluminescence）成为可能，推动了其在应力传感、结构健康监测、生物医学成像等领域的应用。本文系统回顾了铁电材料中ML的晶体结构、工作机制及性能优化策略，并探讨了未来发展方向。
文章首先梳理了四种代表性铁电ML材料：
- P21型SrAl₂O₄:Eu²⁺：具有单斜结构，通过伪弹性变形（pseudoelastic deformation）产生局部电场，释放陷阱载流子实现绿色发光（520 nm）。
- P63mc型ZnS:Mn²⁺：六方纤锌矿结构，压电场驱动载流子复合，发射黄光（580 nm），已用于人工皮肤和超声触发神经调控。
- R3c型LiNbO₃:Pr³⁺：首个实现“无阈值”红色发光（619 nm）的多压电材料，其发光强度与压电系数d33（45 pC/N）直接相关。
- A21am型Sr₃Sn₂O₇:Nd³⁺：近红外（NIR, 900–1400 nm）发光材料，适用于生物组织深部成像。
支持证据：
- 通过原子力显微镜（AFM）单颗粒实验证实了SrAl₂O₄的纳米级应力响应（图4b）。
- 原位透射电镜（TEM）观察到SrAl₂O₄的孪晶界移动与应力场耦合（图4c）。
通过调控发光中心离子和基质晶体结构，ML发射波长可覆盖紫外至近红外（图2）：
- 紫外（UV）：SrAl₂O₄:Ce³⁺/Ho³⁺（300 nm）
- 可见光：Ca₂MgSi₂O₇:Eu²⁺（绿）、Sr₃Sn₂O₇:Sm³⁺（橙）
- 近红外（NIR）：Sr₃Sn₂O₇:Nd³⁺（900–1400 nm）
关键突破：
- Li₁₋ₓNaₓNbO₃:Pr³⁺在准同型相界（MPB）区域的压电系数提升至45 pC/N，ML强度提高30倍（图8c）。
- Sr₃Sn₂O₇:Nd³⁺通过“隧道效应模型”实现高灵敏度NIR发光，适用于活体成像（图9b）。
文章提出三种ML动态模型（图3）：
1. 陷阱控制模型（Trap-controlled model）：应力诱导的压电场释放深陷阱载流子（如SrAl₂O₄）。
2. 能量转移模型（Energy transfer model）：压电极化电荷直接驱动电子-空穴对复合（如ZnS）。
3. 隧道效应模型（Tunnel model）：强压电场通过量子隧穿释放被钉扎载流子（如Sr₃Sn₂O₇）。
实验验证：
- 通过热释光（TL）和光致发光（PL）谱分析陷阱能级分布。
- 电场极化（poling）实验证明铁电极化可增强Pr³⁺的红色发光30%（如BaTiO₃:Pr³⁺）。
ML材料的应用覆盖多尺度领域（图10b）：
- 纳米级：AFM探针应力成像（~nm）。
- 微米级：人工骨关节应力分布监测（图5b）。
- 宏观级：桥梁裂纹诊断（图5c）、高压氢罐无损检测。
- 生物医学：超声激活的ML纳米颗粒用于深部组织光遗传学调控（图6c）。
典型案例：
- ZnS:Mn²⁺薄膜在10万次循环后仍保持稳定发光（图6b）。
- LiNbO₃:Pr³⁺的余辉特性可实现应力历史非接触读取（图8d）。
科学价值：
应用价值：
本文为铁电ML材料的未来发展指明了方向，包括极化调控、DFT计算辅助设计等，有望在物联网（IoT）和智能医疗中实现更广泛应用。