DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-024-01533-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39277571
تاريخ النشر: 2024-09-14
المؤلف: Xulong Lv وآخرون
الموضوع الرئيسي: خصائص اللمعان للمواد المتقدمة
نظرة عامة
تناقش هذه القسم تطوير فوسفور تخزين الأشعة فوق البنفسجية العميقة الجديد، ScBO$_3$:Bi$^{3+}$، الذي يعالج ندرة الفوسفورات التي تصدر في نطاق الأشعة فوق البنفسجية العميقة (200-300 نانومتر). يظهر الفوسفور انبعاثًا ضيق النطاق عند 299 نانومتر مع عرض كامل عند نصف الحد الأقصى (FWHM) يبلغ 0.21 إلكترون فولت ويظهر قدرات تخزين طاقة أشعة سينية ملحوظة. عند تحفيزه بواسطة ضوء أبيض/NIR ذو طول موجي أطول أو درجات حرارة مرتفعة، ينتج ScBO$_3$:Bi$^{3+}$ توهجًا فوق بنفسجيًا مكثفًا ودائمًا، يُعزى إلى التفاعل بين مستويات العيوب والمحفزات الخارجية، بينما يكون تدهوره الطبيعي في الظلام بعد تعرضه للأشعة السينية ضئيلًا.
تستكشف الدراسة أيضًا كيف تؤثر توزيع الطيف وشدة الضوء المحيط، إلى جانب درجة الحرارة، على الانبعاث فوق البنفسجي. تحدد الفجوات الأكسجينية والداخلية للسكنديم كفخاخ إلكترونية عميقة تعزز وتطيل التوهج تحت التحفيز الضوئي أو الحراري المستمر. تشير النتائج إلى أن الخصائص الطيفية الفريدة وتوزيع الفخاخ لـ ScBO$_3$:Bi$^{3+}$ يمكّن استرجاع المعلومات البصرية القابلة للتحكم من خلال الضوء الخارجي أو التلاعب الحراري، مما يبرز إمكاناته لتطبيقات تخزين بصرية متقدمة في البيئات المضاءة جيدًا.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على النمو السريع للبيانات الرقمية في القرن الحادي والعشرين، متوقعة أن يتجاوز الحجم الإجمالي 100 تريليون تيرابايت بحلول عام 2025. لقد زاد هذا الارتفاع من المخاوف بشأن تخزين البيانات وتشفيرها، حيث تعتبر الطرق شبه الموصلة والمغناطيسية والبصرية هي التقنيات الرئيسية للتخزين. من بين هذه الطرق، يعد التخزين البصري واعدًا بشكل خاص بسبب مزاياه مثل العمر الطويل، والسرعة، وانخفاض استهلاك الطاقة، وقابلية النقل. تؤكد الورقة على دور الفوسفورات التخزينية، التي يمكنها تخزين وإطلاق الطاقة كضوء عند التحفيز، في تقدم تقنيات تخزين المعلومات البصرية.
يناقش المؤلفون تطوير مواد التوهج المحفز بالضوء (PSL) التي تصدر الضوء عند تعرضها لمحفزات خارجية، ويقارنونها بمواد التوهج المستمر المحفز حراريًا (PersL). يشيرون إلى التقدم في مواد PSL المختلفة، بما في ذلك السيليكات والهاليدات والنيتريدات، التي أظهرت إمكانات لتخزين المعلومات البصرية. ومع ذلك، لا تزال التحديات قائمة لفصل إشارات التوهج عن الضوء المحيط، مما يستدعي استكشاف فوسفورات التخزين التي تصدر الأشعة فوق البنفسجية العميقة. تقدم الورقة فوسفور تخزين جديد عميق الفخ، ScBO3:Bi3+، الذي يظهر انبعاثًا ضيق النطاق عند 299 نانومتر ويظهر قدرات استثنائية لتخزين الطاقة. توفر الدراسة رؤى حول آليات التوهج فوق البنفسجي وتأثير الظروف المحيطة على انبعاث الضوء، مما يساهم في تصميم فوسفورات تخزين عميقة فعالة.
طرق
في هذه الدراسة، تم تصنيع فوسفورات التخزين ScBO$_3$:x%Bi$^{3+}$ (حيث $0 < x \leq 1$) باستخدام طريقة تفاعل الحالة الصلبة عالية الحرارة. تضمنت المواد الأولية Sc$_2$O$_3$، H$_3$BO$_3$، وBi$_2$O$_3$، جميعها مصدرها من Aladdin بصفاء 99.99%. ولتجنب فقدان التبخر المحتمل أثناء التلبيد، تم دمج 20% من H$_3$BO$_3$ كزيادة. تضمنت عملية التصنيع وزن دقيق للكميات الستيوكيومترية من المواد الخام، تلاها طحن شامل في هاون من العقيق. تم حرق الخليط مسبقًا عند 873 كلفن لمدة ساعتين، ثم تم طحنه مرة أخرى وضغطه في أقراص تحت ضغط 7 ميغاباسكال. حدث التلبيد النهائي عند 1473 كلفن لمدة 5 ساعات، مع تبريد طبيعي إلى درجة حرارة الغرفة. تمت دراسة الفوسفورات الناتجة من حيث خصائصها الهيكلية، والشكلية، والتوهج المستمر، والتوهج المحفز بالضوء (PSL)، والحراري. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) باستخدام حزمة محاكاة فيينا Ab initio (VASP) لاستكشاف طبيعة العيوب داخل الفوسفورات. يتم تقديم مزيد من التفاصيل حول طرق التوصيف والحساب في المعلومات الداعمة.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” من الورقة البحثية النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. يوضح النتائج التي توصلت إليها الدراسة، مع تسليط الضوء على نقاط البيانات والاتجاهات الملحوظة. غالبًا ما تكون النتائج مصحوبة بتحليلات إحصائية ذات صلة، مثل قيم p أو فترات الثقة، لدعم صحة النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام أي تمثيلات رسومية، مثل الرسوم البيانية أو الجداول، لتوضيح البيانات بوضوح، مما يسمح بتفسير النتائج بسهولة أكبر. قد يناقش القسم أيضًا تداعيات هذه النتائج فيما يتعلق بالفرضيات المطروحة في بداية البحث، مما يوفر أساسًا لمزيد من المناقشة في الأقسام اللاحقة. بشكل عام، يخدم هذا القسم لنقل الأدلة التجريبية التي تدعم استنتاجات الدراسة.
مناقشة
تركز قسم المناقشة من الورقة البحثية على الهيكل البلوري وخصائص الفوسفور الضوئي ScBO$_3$:Bi$^{3+}$ الذي تم تصنيعه. تؤكد تقنيات التوصيف مثل حيود الأشعة السينية والمجهر الإلكتروني الماسح أن المركب هو مرحلة واحدة مع توزيع موحد للعناصر. تكشف طيف التوهج الضوئي أنه عند التحفيز عند 270 نانومتر، يصدر الفوسفور ضوءًا فوق بنفسجيًا مع ذروة عند 299 نانومتر، يُعزى إلى انتقال أيون Bi$^{3+}$ من الحالة $^3P_{0,1}$ إلى الحالة $^1S_0$. يظهر الفوسفور عمر انبعاث قصير يبلغ 0.849 ميكروثانية عند درجة حرارة الغرفة، مما يشير إلى أن الانبعاث ينشأ أساسًا من الحالة المثارة $^3P_1$. من الجدير بالذكر أن توهج الفوسفور يتعزز بشكل كبير تحت إضاءة LED البيضاء، مما يوضح إمكاناته لتخزين المعلومات البصرية وإصدار الضوء فوق البنفسجي في البيئات المضيئة.
تستكشف الدراسة أيضًا تأثيرات ظروف الإضاءة المتغيرة على أداء الفوسفور. تحت مستويات إضاءة مختلفة، يظهر الفوسفور زيادة في شدة الانبعاث فوق البنفسجي، مع وجود تحفيز مثالي عند 100 لوكس. تشير عامل الفعالية (E)، الذي يقيس العلاقة بين انخفاض شدة التوهج الحراري (TL) وزيادة التوهج الضوئي (PL)، إلى أن الإضاءة الأعلى تؤدي إلى مزيد من فقدان الطاقة أثناء عملية التحفيز. بالإضافة إلى ذلك، تتأثر خصائص توهج الفوسفور بدرجة الحرارة، حيث يؤدي التحفيز الحراري إلى إطلاق الإلكترونات المحتجزة بشكل فعال عند درجات حرارة مرتفعة. تؤكد النتائج قدرة فوسفور ScBO$_3$:Bi$^{3+}$ على تخزين الطاقة على المدى الطويل واستجابته لكل من الضوء والمحفزات الحرارية، مما يجعله مرشحًا واعدًا للتطبيقات في مجال البصريات والإلكترونيات الضوئية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-024-01533-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39277571
Publication Date: 2024-09-14
Author(s): Xulong Lv et al.
Primary Topic: Luminescence Properties of Advanced Materials
Overview
This section discusses the development of a novel deep-trap ultraviolet storage phosphor, ScBO$_3$:Bi$^{3+}$, which addresses the scarcity of phosphors emitting in the deep ultraviolet range (200-300 nm). The phosphor demonstrates an ultranarrowband emission at 299 nm with a full width at half maximum (FWHM) of 0.21 eV and exhibits remarkable X-ray energy storage capabilities. When stimulated by longer-wavelength white/NIR light or elevated temperatures, ScBO$_3$:Bi$^{3+}$ produces intense and enduring ultraviolet luminescence, attributed to the interaction between defect levels and external stimuli, while its natural decay in darkness post-X-ray irradiation is minimal.
The study further investigates how the spectral distribution and intensity of ambient light, along with temperature, influence ultraviolet emission. It identifies oxygen vacancies and scandium interstitials as deep electron traps that enhance and prolong luminescence under continuous optical or thermal stimulation. The findings indicate that the unique spectral characteristics and trap distribution of ScBO$_3$:Bi$^{3+}$ enable controllable optical information retrieval through external light or heat manipulation, underscoring its potential for advanced optical storage applications in well-lit environments.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the rapid growth of digital data in the 21st century, projecting that the total volume will exceed 100 trillion terabytes by 2025. This surge has intensified concerns regarding data storage and encryption, with semiconductor, magnetic, and optical methods being the primary storage techniques. Among these, optical storage is particularly promising due to its advantages such as longevity, speed, low energy consumption, and portability. The paper emphasizes the role of storage phosphors, which can store and release energy as light upon stimulation, in advancing optical information storage technologies.
The authors discuss the development of photo-stimulated luminescence (PSL) materials that emit light when exposed to external stimuli, contrasting them with thermally stimulated persistent luminescence (PersL) materials. They note the progress in various PSL materials, including silicates, halides, and nitrides, which have shown potential for optical information storage. However, the challenge remains to separate luminescence signals from ambient light, necessitating the exploration of deep ultraviolet-emitting storage phosphors. The paper introduces a novel deep-trap ultraviolet storage phosphor, ScBO3:Bi3+, which exhibits a narrowband emission at 299 nm and demonstrates exceptional energy storage capabilities. The study provides insights into the mechanisms of ultraviolet luminescence and the impact of ambient conditions on light emission, contributing to the design of effective deep-trap storage phosphors.
Methods
In this study, ScBO$_3$:x%Bi$^{3+}$ (where $0 < x \leq 1$) storage phosphors were synthesized using a high-temperature solid-state reaction method. The starting materials included Sc$_2$O$_3$, H$_3$BO$_3$, and Bi$_2$O$_3$, all sourced from Aladdin with a purity of 99.99%. To account for potential evaporation losses during sintering, a 20% excess of H$_3$BO$_3$ was incorporated. The synthesis process involved accurate weighing of the stoichiometric amounts of the raw materials, followed by thorough grinding in an agate mortar. The mixture was pre-fired at 873 K for 2 hours, then ground again and pressed into disks under a pressure of 7 MPa. The final sintering occurred at 1473 K for 5 hours, with a natural cooling to room temperature. The resulting phosphors were characterized for their structural, morphological, persistent luminescence, photostimulated luminescence (PSL), and thermoluminescence properties. Additionally, density functional theory (DFT) calculations were performed using the Vienna Ab initio simulation package (VASP) to explore the nature of defects within the phosphors. Further details regarding the characterization and computational methods are provided in the Supporting Information.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments or analyses. It details the outcomes of the study, highlighting significant data points and trends observed. The results are often accompanied by relevant statistical analyses, such as p-values or confidence intervals, to support the validity of the findings.
Additionally, any graphical representations, such as charts or tables, are utilized to illustrate the data clearly, allowing for easier interpretation of the results. The section may also discuss the implications of these findings in relation to the hypotheses posed at the outset of the research, providing a foundation for further discussion in subsequent sections. Overall, this section serves to convey the empirical evidence that underpins the study’s conclusions.
Discussion
The discussion section of the research paper focuses on the crystal structure and photoluminescence properties of the synthesized ScBO$_3$:Bi$^{3+}$ phosphor. Characterization techniques such as X-ray diffraction and scanning electron microscopy confirm that the compound is a single phase with uniform element distribution. The photoluminescence spectra reveal that upon excitation at 270 nm, the phosphor emits ultraviolet light with a peak at 299 nm, attributed to the Bi$^{3+}$ ion’s transition from the $^3P_{0,1}$ to $^1S_0$ state. The phosphor exhibits a short emission lifetime of 0.849 μs at room temperature, indicating that the emission primarily arises from the $^3P_1$ excited state. Notably, the phosphor’s luminescence is significantly enhanced under white LED illumination, demonstrating its potential for optical information storage and ultraviolet light emission in bright environments.
The study further explores the effects of varying illumination conditions on the phosphor’s performance. Under different illuminance levels, the phosphor shows increased ultraviolet emission intensity, with an optimal stimulation found at 100 lux. The effectiveness factor (E), which quantifies the relationship between the decrease in thermoluminescence (TL) intensity and the enhancement in photoluminescence (PL), indicates that higher illuminance leads to more energy loss during the stimulation process. Additionally, the phosphor’s luminescence properties are influenced by temperature, with thermal stimulation effectively releasing trapped electrons at elevated temperatures. The findings underscore the ScBO$_3$:Bi$^{3+}$ phosphor’s capability for long-term energy storage and its responsiveness to both light and thermal stimuli, making it a promising candidate for applications in photonics and optoelectronics.