近日，北京高壓科學研究中心的楊文革研究員帶領的研究團隊的最新研究表明壓力可以誘導燒綠石氧化物Ho2Sn2O7發光，並且在壓力卸除後，這種發光效能表現出增強的現象。相關研究以“Tricolor Ho3+ Photoluminescence Enhancement from Site Symmetry Breakdown in Pyrochlore Ho2Sn2O7 after Pressure Treatment”為題發表於2020年12月7日的《物理評論快報》。

這裡提到的發光指的是熒光，是物質在外界刺激作用下的發光，常見的有光致發光、電致發光、壓致發光或者化學壓力調控的發光。熒光材料在生化和醫藥等領域得到廣泛的應用，它可做成鐳射器、防偽標示和感測器等。

楊文革研究員團隊早期的研究發現壓力可以有效調節稀土鑭系錫酸鹽燒綠石Eu2Sn2O7、La2Sn2O7的發光效能，並且這種壓力誘導的發光效能與其中的鑭系三價陽離子的局域對稱性相關。為了更深入的探索燒綠石中的壓致發光現象與其結構之間的對應關係，該研究團隊以Ho2Sn2O7為研究物件進行了高壓下的熒光，晶體結構以及Ho3+ 近邊吸收譜等的系統研究。

Ho2Sn2O7是一類典型稀土錫酸鹽燒綠石，在常壓室溫條件下，沒有光致發光效能。該研究團隊發現當壓力增加至約31萬大氣壓的條件時，Ho2Sn2O7可以發射出三種不同波長的熒光（綠色熒光，紅色熒光及其近紅外熒光），令人驚喜的是這種壓力誘導的三種熒光卸壓之後不僅保留下來，而且其熒光強度比高壓下更高。更令人驚奇的是高壓下由綠色熒光佔主導的熒光光譜，在卸壓後變為由紅色熒光佔主導的這一現象。

為了探索這一奇特的發光現象背後的物理機制，該團隊進行了進一步的晶體結構及吸收譜等的測量。他們發現Ho2Sn2O7出現熒光的壓力點正好對應著其晶體結構的變化（低壓燒綠石結構-高壓氯鉛礦）。“Ho2Sn2O7在晶體結構的轉變的過程中伴隨著Ho3+離子的局域對稱性發生變化（中心對稱-非中心對稱），使得Ho3+的5d-4f電子軌道的雜化從而實現了不發光的Ho2Sn2O7出現發光現象”，該工作的第一作者，趙永勝博士解釋道。

卸壓後，Ho2Sn2O7高壓相部分非晶化，此時的綠色和近紅外熒光強度是高壓時的兩倍，而紅色熒光增強了4倍並變為主導熒光。

圖釋：（a，b）相變前後Ho3+離子5d軌道eg與她t2g能級能量差示意圖；（c）卸壓過程中呈現兩個Ho3+離子4f光譜發光中心。

“Ho2Sn2O7部分非晶化後，Ho3+的局域結構對稱性進一步降低，使得強關聯的Ho3+離子對之間的能量交換加強而導致出現一種新的熒光發射中心，從而導致非晶態樣品的熒光的增強以及紅色熒光變為主導的現象”，趙永勝博士解釋到。

“壓致發光現象在很多鈣鈦礦材料也有發現，然而遺憾的是當壓力卸除後熒光現象即時消失，這就限制了壓力最佳化的發光功能的實際使用”，楊文革研究員說到。“我們在燒綠石Ho2Sn2O7中獲得的發光效能不但能保留到常壓，並且增強，意味著Ho2Sn2O7有望作為極端條件的記錄探測器以及用於改進生物發光成像技術”。

該工作第一作者是趙永勝博士，通訊作者是楊文革研究員。該項研究得到國家自然科學基金及其國家重點研發計劃專案的支援。

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.245701