综述：基于晶体结构驱动的设计原则：用于应力传感和可穿戴设备中的机械发光材料

《Micro and Nanostructures》：Crystal structure driven design principles for mechanoluminescent materials in stress sensing and wearable devices

机械发光材料通过结构对称性、缺陷化学和应力诱导的载流子行为实现机械能到光能的转换，其性能与晶体结构、缺陷能级分布及多尺度设计密切相关。研究提出结构-性能-应用关联设计指南，推动ML材料在可穿戴传感器和智能系统中的应用。

　　

乌莎·舒克拉

印度北方邦阿米蒂大学阿米蒂应用科学学院物理系，勒克瑙校区

摘要

机械发光（ML）材料在受到压力、变形或冲击等机械刺激时会产生光，从而实现机械能直接转化为光信号，而无需外部电源。最新研究表明，晶体结构在决定机械发光的效率、灵敏度、重复性和操作稳定性方面起着关键作用；然而，基于结构的设计原则尚未得到充分完善。本综述分析了机械发光背后的晶体结构与性能之间的关系，重点讨论了ZnS和SrAl₂O₄等无机荧光体的典型系统。文中深入探讨了晶格对称性、压电极化、缺陷化学以及掺杂诱导的陷阱状态对应力诱导发光的影响。特别关注了与应力传感和可穿戴设备相关的结构机制，这些设备对循环耐久性、应力传递效率和发光稳定性有严格要求。文章还讨论了基于缺陷工程和晶体相控制的当前局限性与未来设计策略，为开发可靠且适用于实际应用的机械发光材料提供了实用指导。

引言

机械发光（ML）是指固体在受到压力、变形、摩擦或断裂等机械刺激时发出光的现象。与光致发光或电致发光不同，ML能够在无需外部电源的情况下实现机械能与光能的直接转换，因此特别适用于自供电应力传感器、可穿戴电子设备、人工皮肤和结构健康监测系统[1]。基于ML的传感平台还具有电磁免疫性、实时视觉反馈以及与柔性可变形基底的兼容性等优势。机械发光长达几个世纪的科学研究历史反映了其在理解固体中应力诱导激发现象方面的基础性重要性[2,3]。

在众多ML材料中，如硫化锌（ZnS）和铝酸锶（SrAl₂O₄）等无机荧光体，在掺入合适的激活剂和共掺杂离子后，由于其高发光强度、重复性和机械稳定性而成为典型系统[4]。实验和理论研究表明，机械发光行为强烈依赖于材料本身，其机制包括压电场驱动的载流子加速、陷阱控制的电荷释放以及摩擦电激发[5]。重要的是，这些机制的相对贡献受晶体结构的影响，晶体结构决定了晶格对称性、应力诱导极化、缺陷能量学以及电荷传输路径。

近年来，机械发光材料在传感应用中得到了广泛研究，尤其是在检测刚性和柔性系统中的冲击、压力和应变方面[2,6]。将ML荧光体集成到聚合物基质和复合结构中进一步扩展了其应用范围，使其适用于可穿戴设备和结构传感平台，其中循环耐久性和空间应力可视化是关键性能指标。

尽管取得了显著进展，但大多数现有综述要么只是列举机械发光材料，要么孤立地讨论激发机制，而没有系统地将晶体结构与发光行为和设备应用联系起来[4]。最近在机械发光材料方面的研究重点在于开发具有增强功能、结构可调性和环境适应性的先进系统。特别是宽带近红外（NIR）和短波红外（SWIR）发光材料的应用，使得其在生物成像、水下通信和光学复杂环境中的传感成为可能。此外，基于弹性体基质的柔性可穿戴ML复合材料也被广泛用于实时应力传感和人机交互。最新研究还展示了将ML系统与智能数据处理技术（包括机器学习辅助的传感和多模态检测平台）相结合的应用[7][8][9]。此外，缺陷工程和可控掺杂策略也被广泛用于调节陷阱深度分布、提高发光强度和改善循环稳定性。这些进展体现了机械发光材料从基础研究向实际应用方向的转变。

相比之下，本综述采用了基于晶体结构的视角，强调晶格对称性和缺陷化学如何共同影响机械发光在应力传感和可穿戴应用中的效率、稳定性和灵敏度。通过关注结构机制与应用之间的关系，本研究旨在为开发可靠且适用于实际应用的机械发光材料提供实用的设计指导。

部分摘录

晶体对称性和晶格畸变的作用

晶体对称性在机械发光（ML）性能中起着决定性作用，它决定了机械应力如何转化为内部电场以及缺陷状态如何被激活。在非中心对称晶体晶格中，施加的变形会产生压电极化，从而产生促进载流子加速和辐射复合的内部电场。纤锌矿型ZnS就是这种行为的典型例子，其激活应力较低。

缺陷和掺杂诱导的陷阱状态的作用

虽然第2节根据结构对称性和极化行为对机械发光激发机制进行了分类，但这些过程的微观起源实际上取决于缺陷状态和掺杂诱导的陷阱结构。因此，深入研究缺陷化学和陷阱能量学对于预测性材料设计至关重要。缺陷和掺杂诱导的陷阱状态调控载流子的捕获、存储和释放，从而控制机械发光的强度。

基于结构的设计指南

虽然晶体对称性和缺陷化学是机械发光（ML）激活的基础，但将这些内在关系转化为实际的材料设计需要可预测和可量化的设计指南。最新研究表明，通过协调工程化晶体结构、缺陷能量学以及从原子到器件的层次化架构，可以系统地优化ML性能。而不是将这些因素孤立考虑...

在应力传感、可穿戴设备和智能系统中的应用

机械发光（ML）材料能够通过将机械刺激转化为可见光信号来直接显示应力分布，其光强度与施加的负载成正比。基于ZnS和SrAl₂O₄的荧光体已广泛应用于涂层、薄膜和复合系统中，用于检测结构部件中的应变定位、裂纹起始和冲击事件[6,19]。类似的传感概念也已扩展到复合材料中，其中嵌入了ML荧光体...

结论

本综述强调晶体结构和缺陷化学是控制机械发光（ML）在应力传感和可穿戴系统中性能的基本参数。非中心对称晶格支持具有高灵敏度和循环稳定性的可逆压电极化驱动的发光，而中心对称晶体则依赖于工程化的陷阱分布来调控载流子存储和应力诱导的释放。通过关联对称性、缺陷能量学和发光机制...

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：乌莎·舒克拉表示获得了阿米蒂大学勒克瑙分校的财务支持。乌莎·舒克拉与阿米蒂大学勒克瑙分校存在雇佣关系。如果还有其他作者，他们声明自己没有其他可能影响本报告工作的已知财务利益或个人关系。