Оксид цинка засветился под давлением
Добавка натрия превратила его в инфракрасный датчик без источника питания
Механолюминесценция — явление, при котором материал испускает свет под действием механической нагрузки. На протяжении долгого времени механолюминесценция в основном проявлялась как фрактолюминесценция, то есть излучение получали в результате разрушения химических связей в материалах: кристалл трескался или терся о поверхность, что равносильно образованию трещин, но на микромасштабах. Очевидный минус фрактолюминесценции заключается в последовательном разрушении материала, что серьезно ограничивает его применение. Упругая механолюминесценция или же, как ее еще называют, пьезолюминесценция выглядит для материаловедов куда привлекательнее из-за меньшего износа материала, так как излучение происходит благодаря упругой деформации, то есть материал остается механически работоспособным. Однако главным минусом современных материалов с этим эффектом состоит в том, что они содержат редкоземельные элементы: европий, неодим, иттрий. Их синтез непрост и дорог, что ограничивает промышленное применение.
Одним из перспективных материалов в этой области считался оксид цинка, ввиду таких характеристик, как распространенность в земной коре, нетоксичность и ширина запрещенной зоны. Его запрещенная зона — энергетический барьер, который электрон должен преодолеть, чтобы стать свободным носителем тока, — втрое шире, чем у кремния, и делает ZnO прозрачным в видимом диапазоне. Тем не менее механолюминесценции в чистом оксиде цинка никто никогда не наблюдал: он считался для этого эффекта непригодным.
Чао-Нань Сюй (Chao-Nan Xu) из Университета Тохоку вместе с коллегами нашел решение проблемы в модифицированном кристалле оксида цинка. Исследователи обратили на него внимание, потому что он имеет целый ряд преимуществ по сравнению с редкоземельными металлами: оксид цинка широко распространен в земной коре, нетоксичный и имеет широкую запрещенную зону, что делает его великолепным кандидатом в материалы для фотоники и электроники. Однако, несмотря на все плюсы, он не показывал механолюминесценции. Тогда научная группа решила модифицировать оксид при помощи инженерии дефектов. Они заменили несколько молекулярных процентов ионов Zn