最新研究表明压力可以诱导烧绿石氧化物Ho2Sn2O7发光

近年来，稀土锡酸盐烧绿石由于其潜在的光学性能，稳定的结构以及化学性质在光催化有机物污染物的处理方面受到人们的广泛关注。烧绿石独特的发光特性主要来源于稀土离子，由于其发射的光谱受外界环境影响不大，因而具有在极端条件下应用的潜质。

近日，北京高压科学研究中心的杨文革研究员带领的研究团队的最新研究表明压力可以诱导烧绿石氧化物Ho2Sn2O7发光，并且在压力卸除后，这种发光性能表现出增强的现象。相关研究以“Tricolor Ho3+ Photoluminescence Enhancement from Site Symmetry Breakdown in Pyrochlore Ho2Sn2O7 after Pressure Treatment”为题发表于2020年12月7日的《物理评论快报》。  

这里提到的发光指的是荧光，是物质在外界刺激作用下的发光，常见的有光致发光、电致发光、压致发光或者化学压力调控的发光。荧光材料在生化和医药等领域得到广泛的应用，它可做成激光器、防伪标示和传感器等。   杨文革研究员团队早期的研究发现压力可以有效调节稀土镧系锡酸盐烧绿石Eu2Sn2O7、La2Sn2O7的发光性能，并且这种压力诱导的发光性能与其中的镧系三价阳离子的局域对称性相关。为了更深入的探索烧绿石中的压致发光现象与其结构之间的对应关系，该研究团队以Ho2Sn2O7为研究对象进行了高压下的荧光，晶体结构以及Ho3+ 近边吸收谱等的系统研究。   Ho2Sn2O7是一类典型稀土锡酸盐烧绿石，在常压室温条件下，没有光致发光性能。该研究团队发现当压力增加至约31万大气压的条件时，Ho2Sn2O7可以发射出三种不同波长的荧光（绿色荧光，红色荧光及其近红外荧光），令人惊喜的是这种压力诱导的三种荧光卸压之后不仅保留下来，而且其荧光强度比高压下更高。更令人惊奇的是高压下由绿色荧光占主导的荧光光谱，在卸压后变为由红色荧光占主导的这一现象。   为了探索这一奇特的发光现象背后的物理机制，该团队进行了进一步的晶体结构及吸收谱等的测量。他们发现Ho2Sn2O7出现荧光的压力点正好对应着其晶体结构的变化（低压烧绿石结构-高压氯铅矿）。“Ho2Sn2O7在晶体结构的转变的过程中伴随着Ho3+离子的局域对称性发生变化（中心对称-非中心对称），使得Ho3+的5d-4f电子轨道的杂化从而实现了不发光的Ho2Sn2O7出现发光现象”，该工作的第一作者，赵永胜博士解释道。   卸压后，Ho2Sn2O7高压相部分非晶化，此时的绿色和近红外荧光强度是高压时的两倍，而红色荧光增强了4倍并变为主导荧光。  

图释：（a，b）相变前后Ho3+离子5d轨道eg与她t2g能级能量差示意图；（c）卸压过程中呈现两个Ho3+离子4f光谱发光中心。   “Ho2Sn2O7部分非晶化后，Ho3+的局域结构对称性进一步降低，使得强关联的Ho3+离子对之间的能量交换加强而导致出现一种新的荧光发射中心，从而导致非晶态样品的荧光的增强以及红色荧光变为主导的现象”，赵永胜博士解释到。   “压致发光现象在很多钙钛矿材料也有发现，然而遗憾的是当压力卸除后荧光现象即时消失，这就限制了压力优化的发光功能的实际使用”，杨文革研究员说到。“我们在烧绿石Ho2Sn2O7中获得的发光性能不但能保留到常压，并且增强，意味着Ho2Sn2O7有望作为极端条件的记录探测器以及用于改进生物发光成像技术”。   该工作第一作者是赵永胜博士，通讯作者是杨文革研究员。该项研究得到国家自然科学基金及其国家重点研发计划项目的支持。  

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