Adv. Photon. | 多刺激深紫外发光材料的波长调控、陷阱工程与应用

Advanced Photonics 2026年第4期文章：

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背景介绍

紫外C波段（UVC，100–280 nm）和紫外B波段（UVB，280–315 nm）在地表的天然光背景很低，臭氧层几乎吸收全部UVC，并显著削弱UVB。这一特征使UVC/UVB信号在复杂可见光背景中仍有较高辨识度，可用于日盲成像与低背景传感；同时，其较高光子能量也为细菌灭活和局域光疗提供新的可能。然而，常规深紫外光源往往依赖持续供电，限制了柔性、分布式和无源场景中的使用。

长余辉材料通过预先储存激发能，在外部光源关闭后仍可持续发光；其本质是载流子先被缺陷陷阱俘获，再在热扰动下逐步释放并复合。机械发光则把机械刺激转化为光信号，其中陷阱调控型机械发光依赖外力释放预先储存在深陷阱中的载流子，自恢复型机械发光则无需预充能即可在机械刺激下响应。长余辉与陷阱调控型机械发光共享“能量存储—载流子释放—辐射复合”的物理图景；自恢复型机械发光的能量转换路径则应另行区分。

近年来，UVC/UVB长余辉与机械发光材料快速发展，但相关知识仍分散在不同发光中心、基质和应用体系中。河北大学与香港城市大学联合团队系统梳理了深紫外发光离子及其跃迁机制、发射波长调控、陷阱工程与发光强度调控，以及相关应用进展。相关综述以“Recent developments in deep-ultraviolet phosphors for multistimulated luminescence”为题，发表于Advanced Photonics 2026年第4期。

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深紫外发光离子与跃迁机制

2018年，UVC长余辉研究拉开了多刺激深紫外发光材料发展的序幕；此后至2025年，研究内容由“获得深紫外余辉”逐步扩展到窄带UVB输出和无需持续供能的机械响应，并延伸至日盲标记、结构监测和生物应用（图1）。

图1 UVC/UVB长余辉与机械发光领域的重要进展时间轴

随着材料体系的扩展，承担发光作用的离子成为理解材料光谱差异的基础。这些离子称为发光中心，目前主要包括Tm³⁺、Er³⁺、Gd³⁺、Pr³⁺、Ce³⁺、Bi³⁺和Pb²⁺。其深紫外发射涉及三类跃迁机制：第一类是Tm³⁺、Er³⁺、Gd³⁺和Pr³⁺的4fⁿ构型内跃迁，即同一电子构型内不同能级之间的跃迁（简称4f–4f跃迁）。由于4f电子受到外层5s²和5p⁶电子的屏蔽，这类发射的峰位置对基质环境相对不敏感。第二类是Pr³⁺和Ce³⁺的5d→4f跃迁，其5d能级对局域晶场较为敏感，可通过改变基质调节发射波长。第三类是Bi³⁺和Pb²⁺的³P₁→¹S₀跃迁，其发射同样受局域化学环境和晶场影响（图2a）。其中，Pr³⁺可通过前两类跃迁发光，具体取决于基质及能级结构。代表性长余辉机械发光光谱进一步展示了这些发光中心对UVC/UVB波段的覆盖，由于不同材料的光谱经过归一化处理，不能据此比较绝对亮度（图2b、c）。

图2 七种发光离子的能级跃迁，以及代表性UVC/UVB长余辉与机械发光光谱

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深紫外发射波长的调控

要获得深紫外输出，基质首先需要足够宽的禁带，以容纳发光中心的激发态和载流子俘获过程。按照光子能量估算，若要实现UVB和UVC发射，对应的禁带宽度理论下限分别约为3.94 eV和4.43 eV；考虑Stokes位移后，实际材料通常需要更宽的禁带。在此基础上，4f→4f跃迁适合获得相对稳定的特征波长，而涉及5d或6p电子态的跃迁则可借助基质工程实现连续调谐。

对于涉及5d或6p电子态的跃迁，发射波长主要由电子云扩展效应与晶场劈裂的协同或竞争决定。例如，Pr³⁺在SrF₂、Cs₂NaYF₆和Lu₂SiO₅中的发射可由约222 nm依次移动到250 nm和270 nm，表明两种效应协同降低了最低5d能级；而在部分石榴石基质中，两种效应方向相反，最终发射波长取决于哪种效应占主导。Bi³⁺体系也呈现类似规律：不同阴离子配位和局域晶场可使发射在UVC与UVB之间显著移动。这表明，基质的改变会影响发光离子的局域配位结构和能级，进而引起发射波长移动（图3）。

图3 Pr³⁺/Ce³⁺与Bi³⁺/Pb²⁺的波长设计框架

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陷阱工程与发光强度调控

除了调节发射波长，还需提高发光强度对于长余辉和陷阱调控型机械发光，陷阱工程通过调节载流子的存储与释放过程影响发光强度：陷阱深度、载流子储存量，以及载流子能否在热或机械刺激下释放并回到发光中心，都是关键因素。其能量转换过程可概括为“充能—俘获—释放—复合”链条：带间跃迁、光致电离或上转换过程完成充能，缺陷陷阱决定载流子的存储时间和释放门槛，最终复合过程产生深紫外光。

围绕这一能量转换链条，目前主要形成了六类强度调控策略：优化充能条件、利用X射线诱导弗伦克尔缺陷、实施非化学计量调控、调控发光中心间的能量传递、引入晶格失配，以及采用共取代调节局域结构（图4）。这些策略的共同目标是控制陷阱深度、密度与占据量，同时兼顾载流子释放和辐射复合效率。需要指出的是，已有较多证据表明，X射线能够产生弗伦克尔缺陷，但对缺陷形成后载流子迁移与复合具体路径的认识仍主要基于间接推断。

图4 UVC/UVB长余辉与陷阱调控型机械发光的强度调控策略

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深紫外发光材料的应用

发射波长与强度的调控为深紫外发光材料的应用提供了基础。利用UVC/UVB波段天然背景低的特点，可在明亮或复杂环境中提取发光信号。已有研究利用UVC长余辉在雪地、植被等背景下实现静态标记，并在模型潜艇表面涂覆UVB长余辉材料进行动态追踪演示；通过可见光与深紫外双通道、不同陷阱深度及多种读取方式，还可实现信息加密和时序防伪。对于X射线预充能的Sr₂P₂O₇:Pr³⁺，机械发光强度与辐照剂量呈线性关系，展示了储存剂量—机械读取的测量思路（图5）。这些研究仍处于材料和模型层面的概念验证阶段；要走向实际应用，还需完成标定、稳定性评估和系统集成。

图5 日盲相关应用演示

机械发光还可把不可见的应力分布转化为深紫外图像。在模拟结构与复合薄膜中，SrF₂:Pr³⁺的UVC信号可在明亮环境下被日盲相机识别，而可见波段ZnS:Cu的响应容易被背景光淹没；MgF₂:Tm³⁺和Y₃Al₂Ga₃O₁₂:Gd³⁺,Pr³⁺两种复合薄膜分别用于显示拉伸断裂位置，以及记录拉伸、折叠和摩擦过程中的UVB响应（图6a–c）。在柔性软管表面集成UVB机械发光薄膜，还有望用于感知气流诱导的应力（图6d）；该方案尚处于概念设计阶段，能否用于定量气流测量仍待验证。

图6 深紫外机械发光用于结构应力可视化

除传感与信息应用外，深紫外光子的高能量也为杀菌与光疗提供了可能。已有实验显示，Cs₂NaYF₆:Pr³⁺在预充能后产生的UVC余辉可持续作用于铜绿假单胞菌PAO1，在特定实验条件下处理16 min后，细菌生存率由约100%降至约40%；其他UVC长余辉材料也展示了对金黄色葡萄球菌的杀菌作用（图7a、b）。此外，窄带UVB余辉贴片被提出用于小面积皮肤病灶的局部照射（图7c），但这一设想尚未经过人体或临床验证。

图7 深紫外长余辉的生物应用

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总结与展望

多刺激深紫外发光材料凭借UVC/UVB波段天然背景低、光子能量高和多刺激响应等优势，在日盲传感、应力监测与生物应用中展现出独特潜力。当前研究已形成以发光中心选择、局域晶场调控和陷阱工程为核心的设计思路，并在低背景成像、信息安全、剂量测量、结构监测及杀菌与光疗等方向取得进展。然而，该领域仍面临发光亮度不足、材料体系有限、强度提升策略缺乏普适性，以及关键载流子过程缺少直接证据等挑战。未来，随着机器学习、第一性原理计算和先进原位表征技术的发展，多刺激深紫外发光材料有望加快候选体系筛选与机制解析，推动材料开发由经验试错走向可预测设计，并为日盲探测、应力感知和深紫外生物应用探索提供更可靠的材料基础。

期刊简介

Advanced Photonics（AP）创刊于2019年，是一本重点关注新兴光学领域的基础与应用研究成果、聚焦最新及快速发展的光学与光子学学科的国际OA期刊。期刊入选中国科协高起点新刊计划，2021年被SCI收录，最新影响因子19.5，在全球JCR光学期刊中位列第7（Q1区），中国科学院一区（2025），入选中国科技期刊卓越行动计划（二期）。创刊以来AP发表了众多国际顶尖学者的高水平学术论文，并以采访、新闻、评论等丰富的形式，展现了光学与光子学领域的最新进展。姊妹刊Advanced Photonics Nexus（APN）接收AP的快速转投和自然来稿，致力于成为既发表基础研究类又发表工程应用类文章的综合性大刊，最新影响因子6.3，2024年入选中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目。

编辑 | 徐睿