浙大城市学院&深圳大学：研发压力/温度传感+3D打印光学编码的多功能传感平台-电子发烧友网

传统传感材料往往局限于单一物理量的检测，而环境复杂的实际场景常需多参数同步监测。近期，浙大城市学院的一项突破性研究通过设计新型发光材料Sr₂MgSi₂O₇: Eu²⁺/ Dy³⁺（SMSO），成功实现光致发光（PL）、应力发光（ML）与长余辉发光（PersL）的三重响应，并首次将PersL用于压力传感，结合3D打印技术开发出可编程光学编码平台，为智能传感与防伪领域带来革新！

一、材料核心创新：三模协同，突破性能瓶颈

1.应力传感：线性响应，宽动态范围

在3~30 N力学范围内，ML强度与外力呈线性关系，归因于材料中氧空位与Dy³⁺/Dy²⁺陷阱态的协同作用。这种特性使其可用于应力监测预警、智能结构健康监测等领域。

2. 压力传感：从“瞬态应力传感”到“持续高压传感”

传统应力发光材料（如硫化物）依赖瞬时力学刺激发光，而SMSO材料通过陷阱能级调控，在压力刺激下不仅产生ML信号，还能通过PersL实现秒级持续发光，首次将PersL寿命作为压力传感参数。实验显示，其压力灵敏度高达42% GPa⁻¹（PL寿命模式），远超现有报道。

3. 温度传感：纳米级精度响应

SMSO的PL光谱带宽（FWHM）和寿命对温度变化极其敏感：1）FWHM灵敏度：0.05 nm/K，可检测微小温度波动；2）PL寿命灵敏度：1.29%/K，适用于宽温域（-50~300℃）。这种双参数响应机制通过晶体场效应和载流子跃迁路径调控实现，为高精度非接触测温提供新方案。

图1. a) SMSO应力发光实验装置示意图；b) 辐照后应力发光光谱；c)不同外力下积分发射信号（PersL+ML）时变曲线；d) 24 N下PersL（绿）与PersL+ML（蓝）对比，粉色区域为应力发光总量；e)应力发光-力线性拟合；f)辐照后3 h发射光谱；g)辐照后3 h（上）、5 h（下）积分强度-时间关系；h) PersL（绿）、30 N加载（蓝）及淬灭后（紫）归一化光谱；i)PersL+ML（蓝）与ML（紫）、PersL（绿）光谱线性组合的发射峰对比。

图2. a) 高压测量装置简图；b) 不同压力下SMSO的归一化PL发射光谱；c)发射峰峰位-压力关系；d) 对应的非归一化PL发射光谱；e) CIE色度图示发射颜色随压力变化；f) 发射带半峰全宽（FWHM）压力依赖性以及绝对灵敏度曲线；g) 已报道压力传感器压力灵敏度（dλ/dp）对比。

二、技术突破：三模压力传感器与光学编码

1. 三模压力传感器：肉眼可见的“荧光颜色预警信号”

SMSO在高压下（0.5~8.9 GPa）PL发射峰红移达64.3 nm，肉眼可辨颜色从青色渐变至黄绿色。结合以下模式，灵敏度全面领先：

谱移模式：-297.4 cm⁻¹/GPa（8.11 nm/GPa）；

带宽模式：272.7 cm⁻¹/GPa（14.8 nm/GPa）；

寿命模式：42% GPa⁻¹（历史最高）。

2. 3D打印光学编码：防伪与信息存储

通过将SMSO颗粒嵌入聚合物基质，团队利用3D打印技术制备出夜视安全标志、8位光学码及QR码。PersL特性使这些标签在无外界光源下持续发光数小时，且支持光/力双响应加密，为高端防伪和物联网标识提供新思路。

图3. 基于含高效PersL的SMSO颗粒3D打印聚合物实现防伪、夜视安全标识、8位光学编码及QR码应用。a) 8×10二进制矩阵编码“AFTER GLOW”信息：PersL非活性单元（0）与活性单元（1）；b) 3D打印设备制备PersL活性聚合物部件；c) 3D打印PersL安全标志（SOS、EXIT）；d) 禁烟、禁拍标识；e) QR码加密图案设计及光学图像（紫外激发后暗场成像）

三、科学机制：陷阱调控与能量迁移

1. 陷阱能级设计

材料中Eu²⁺作为发光中心，Dy³⁺作为陷阱调控剂，通过不等价掺杂（Eu²⁺替代Sr²⁺）引入氧空位，形成深度可控的电子陷阱。外界刺激（光/力/热）触发陷阱中载流子的释放，产生多模发光信号。

2. 动态能量传递

光激发：紫外光激发Eu²⁺的4f→5d跃迁，部分能量存储于Dy³⁺陷阱；

力学刺激：应力诱导晶格畸变，加速陷阱电子隧穿至发光中心；

热扰动：温度变化改变陷阱深度，调控载流子释放速率。