发光学报 | 基于变色效应的荧光可逆调控

无机稀土发光材料通常用于照明、显示、激光和生物医学等领域，随着应用领域的迅速发展，调控材料的荧光性能在扩展其应用中有着重要的理论价值和实用前景。一些特殊材料在外场刺激下能够产生可逆的变色效应，并伴随着荧光性能的变化，基于变色效应的可逆荧光调控逐渐成为了研究热点。

近日，昆明理工大学的 杨正文 等人对近年来基于变色效应的无机稀土发光材料的荧光可逆调控及应用进行了总结，介绍了在电场、热场及光场刺激下，无机稀土发光材料的变色效应对荧光性能的可逆调控，并探讨了其在光开关、防伪识别、光存储等领域的应用研究进展。

该文章以“基于变色效应的无机稀土发光材料荧光可逆调控及应用”为题发表于《发光学报》（EI、Scopus收录，中文核心期刊），并被选为封面文章。

图1：《发光学报》2022年第43卷第4期 期刊封面

一、变色效应的分类

（1）电致变色：材料的光学性能包括反射率、透过率、吸收率等，在外加电场的作用下发生变化，在外观上表现为颜色及透明度的变化。

（2）热致变色：当材料加热到某一温度范围或特定温度时发生变色，回到初始温度后颜色恢复，该现象即为可逆热致变色。

（3）光致变色：材料在特定波长光的刺激下表现出光学性能的变化，从而发生颜色的改变，并且可以通过另一波长的光刺激或热刺激恢复原始状态，两种不同状态之间的可逆转变即为可逆光致变色。

二、基于变色效应的荧光可逆调控

在外场刺激下的变色过程中，无机稀土发光材料的吸收带与稀土离子发光中心的发射带重叠，能够使基质的吸收抑制发光，或者产生从发光中心向色心的能量传递，发生吸收和发光特性的变化，从而使荧光强度猝灭，获得基于变色效应的荧光强度调控。

（一）基于电致变色效应的荧光可逆调控及应用

早期工作中，电致变色效应多用于改变材料的光学吸收特性，从而广泛应用于节能智能窗、显示器等领域。随着近几年的研究发展，电致变色效应开始被应用于发光材料中，研究表明在电场的刺激下，变色效应诱导的可逆荧光强度调控经过多次重复，仍具有良好的稳定性，显示了其在光存储器件中的应用潜力（图2a）。

（二）基于热致变色效应的荧光可逆调控及应用

近年来的研究表明基于热场的刺激，通过改变烧结条件，无机稀土发光材料能够获得可逆的热致变色现象和荧光强度调控，经过几个周期循环后仍然显示出良好的可逆性和可重复性，使得基于热致变色效应的可逆荧光强度调控获得了潜在的应用价值，扩展了除传统热致变色智能窗以外的光开关、防伪识别等应用（图2b）。

图2：（a）基于电致变色效应的荧光可逆调控；（b）基于热致变色效应的荧光可逆调控。

（三）基于光致变色效应的荧光可逆调控及应用

光场刺激具有易操作、安全性和实时性的优势，在无机稀土发光材料中，基于光致变色效应能够实现实时、高效、稳定、可逆可重复的荧光强度调控。

（1）防伪应用

防伪技术现已广泛应用于身份证、货币、商品智能包装、标签和重要文件等。然而传统的防伪技术容易受到侵犯，因此需要开发难以复制、识别度高和成本低的先进防伪技术。在无机稀土发光材料中，基于光致变色效应调控荧光强度可以获得高的光学信息识别度和信息的无损读出，从而满足材料在防伪领域的实际应用需求（图3a）。

（2）光存储应用

随着现代互联网和智能设备的飞速发展，数据存储容量的需求越来越大，光存储技术与传统的固态存储和磁存储技术相比，具有成本和能耗低、存储寿命长、非接触式读写、可重写等优点。将具有光致变色性能的发光材料作为光存储介质，通过①选择合适的激发波长避免与吸收带之间重叠所导致的二次吸收、②构建发光中心与色心之间的有效能量传递、③制备新型基质材料（例如柔性薄膜、透明玻璃）等策略，可在光学数据的“读写”过程中实现响应速度快、存储密度高、耐疲劳、无损读取等优势（图3b）。

图3：基于光致变色效应的荧光可逆调控的应用：（a）防伪识别；（b）光存储。

三、结论与展望

（1）基于电致变色效应的荧光可逆调控

电场刺激下的变色效应，其变色和漂白状态具有稳定性，响应速度快，可用于制备能耗低、稳定性好的电致变色器件。然而现阶段多数报道仍然集中在利用电致变色效应改变材料的光学吸收特性，目前迫切需要在无机稀土发光材料中实现基于电致变色效应的可逆荧光调控，从而拓展其在发光智能窗、发光二极管等新型领域的应用。

（2）基于热致变色效应的荧光可逆调控

由于外加热场的变化具有连续性，在基于热致变色效应的可逆荧光调控研究中，难以实现调控的稳定性和精确性，在实际应用中仍具有局限性，因此还需要进一步的研究发展。

（3）基于光致变色效应的荧光可逆调控

光场刺激由于更具有易操作性、实时性、安全性等优势，成为了现阶段的主要研究目标，特别是在光开关、防伪识别、光存储等新型领域具有大量的研究。然而目前基于光致变色效应的可逆荧光调控研究还存在一些问题，例如调控率、响应速度仍需要进一步提高，从而提高光学信号的识别度、实时性、精确性等。此外还需开发可用于多种复杂环境的新型基质材料，从而进一步扩展无机稀土发光材料的应用领域。

作者介绍

杨正文，昆明理工大学材料科学与工程学院，教授、博士研究生导师。2009 年于清华大学获得博士学位，目前主要从事稀土发光材料发光性质的调控及应用研究。以第一或通讯作者在 Light: Science& Application、ACS Energy Letter、Science China-Materials、Advanced Optical Materials、Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials & Interfaces 等期刊发表论文 100 余篇。
E-mail: yangzw@kust.edu.cn

| 论文信息 |

白雪，徐赞，字映竹，肖代文，付丽香，何彦妮，赵和平，杨钊烁，宋友艳， Asif Ali Haider，向斐斐，宋志国，寸阳珂*，邱建备*，杨正文*. 基于变色效应的无机稀土发光材料荧光可逆调控及应用[J]. 发光学报, 2022, 43(4):463-477.

https://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20210326

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