基于摩擦起电与电致发光的耦合效应的新型力-光转换复合材料的研究

Converting mechanical motion into light emission provides a visualized real-time solution in sensing an object that is in dynamic motion. Aiming at the bottlenecks of conventional mechanoluminescent materials used for this purpose, this project is to explore a novel coupling effect between triboelectricity and electroluminescence on material’s level, to establish a new mechanism in which mechanical energy is converted to light emission via electrical energy, and to design a layer-by-layer structured novel composite material for mechanical-optical conversion. This material can indicate the shape, position and motion track of a moving object through light emission. By researching into fundamental scientific issues that relate to the properties of the mechanical-optical composite material including how triboelectric charge transfers, accumulates and saturates during continuous friction, this project aims at obtaining superior properties of the composite material compared to conventional mechanoluminescent materials in terms of light emission intensity, stability, special resolution, threshold pressure and threshold velocity. The project targets on the problem at the frontier of materials research, which can yield scientific significance as well as broad interests in practical applications.

机械运动转变成光辐射为探测动态物体提供了一种实时可视化的方法。针对目前力致发光材料在该领域中的瓶颈问题，本项目拟通过探究摩擦起电与电致发光在材料层面的新型耦合效应，建立一种全新的机械能转变为光辐射的物理机制，设计一种层状结构的新型力-光转换复合材料，使其能够通过发光实时地显示动态物体的形貌、位置和运动轨迹等信息。通过深入研究与该复合材料力-光转换性能相关的基础科学问题，特别是揭示连续摩擦运动中摩擦电荷的转移、积累、驻留和饱和等过程的关键规律，使该复合材料较传统力致发光材料在发光强度、稳定性、空间分辨率、发光应力阈值和速度阈值等方面具备显著的优势。本项目聚焦于发光材料研究领域的前沿科学问题，研究成果将具有重要的理论意义和广阔的实际应用前景。

机械运动转变成光辐射为探测动态物体提供了一种实时可视化的方法。针对目前力致发光材料在该领域中的瓶颈问题，本项目拟通过探究摩擦起电与电致发光在材料层面的新型耦合效应，建立一种全新的机械能转变为光辐射的物理机制，设计一种层状结构的新型力-光转换复合材料，使其能够通过发光实时地显示动态物体的形貌、位置和运动轨迹等信息。通过深入研究与该复合材料力-光转换性能相关的基础科学问题，特别是揭示连续摩擦运动中摩擦电荷的转移、积累、驻留和饱和等过程的关键规律，使该复合材料较传统力致发光材料在发光强度、稳定性、空间分辨率、发光应力阈值和速度阈值等方面具备显著的优势。..本项目主要取得了一下三个方面的研究成果：..1、建立了摩擦电光效应中的力-光转换新机制。通过探究摩擦起电材料的表面电荷效应和半导体电致发光材料中电致发光体效应的耦合，建立了一种机械能转变为光辐射的新机制。..2、优化了复合薄膜材料的摩擦层的厚度、发光层的厚度、摩擦层表面的微纳形貌，并通过纳米刻蚀的方法改性摩擦层表面，获得了较高的光强度；通过微纳加工制造的手段，制备了具有微米级的空间分辨率的复合薄膜材料样品 ，能够高分辨率地显示物体滑动的轨迹。..3、在摩擦电光效应中的力-光转换新机制的基础上，通过微米接触界面的尺寸效应，大幅提高了摩擦电光的强度。量化地探究了微米接触界面对发光强度的影响，获得了获得高强度摩擦电光的优化工艺和参数，对材料界面的设计和制备具有重要指导意义。..项目执行期间，发表高水平学术论文8篇，申请专利4项。