Over de interactie tussen mechanisch en optisch gestimuleerde luminescentie in BaSi_2O_2N_2:Eu^2+

Robin Petit
Persistent luminescente materialen zijn materialen die in staat zijn licht te geven gedurende periodes van enkele seconden, uren tot zelfs dagen.
Ondanks dat deze materialen reeds het onderwerp zijn geweest van vele studies is het onderliggende mechanisme nog niet volledig begrepen.
Het is echter algemeen aanvaard dat defecten in het materiaal een belangrijke rol spelen in het verkrijgen van het uitgesteld gedrag van de luminescentie.
De bezetting van deze defecten kan op verschillende manieren worden beïnvloed: warmte, een verandering in druk of bestraling met infraroodlicht.
De huidige masterproef behandelt de interactie tussen deze stimulaties, meer specifiek de verandering in druk en de infraroodbestraling.

Lichtgevende materialen met een geheugen

Lichtgevende materialen met een geheugen

 

Wat is de laatste theatervoorstelling die je gezien hebt? Misschien heb je zelf ooit op de planken gestaan? De vlinders in je buik net voor het openen van de gordijnen, het felle licht van de schijnwerpers, het even niet meer herinneren van je tekst en het applaus van het publiek, het zijn allemaal momenten die onmiskenbaar verbonden zijn met de wereld van theater. Je zou het op het eerste gezicht niet verwachten, maar het gedrag van bepaalde luminescente materialen is zeer vergelijkbaar met het opvoeren van een theatervoorstelling.

 

 

Persistente luminescentie

Luminescente materialen zijn materialen die licht geven door energie te absorberen en deze om te zetten in (meestal) zichtbaar licht. De opgenomen energie kan bijvoorbeeld ultraviolette straling zijn, maar ook vele andere soorten energie, zoals de energie die vrijkomt tijdens een (bio)chemische reactie, komen in aanmerking (denk aan vuurvliegjes!). Witte LEDs, de energiezuinige verlichting van de toekomst, hebben hun efficiëntie deels te danken aan luminescente materialen. De lichtemissie is vaak gebaseerd op specifieke chemische elementen, ook wel onzuiverheidsatomen of dopanten genoemd, die in kleine concentratie ingebed zitten in een gastmateriaal. Net zoals de hoofdrolspeler vaak bepalend is voor het succes van een theatervoorstelling, is de keuze van het vreemde atoom en de interactie met het gastmateriaal hier bepalend voor onder meer de kleur van de resulterende luminescentie.

 

De periode waarin de lichtemissie typisch plaatsvindt is zeer kort, gaande van enkele nanoseconden tot milliseconden. Evenals het niet altijd gewenst is om direct je mening te uiten, is het ook niet altijd wenselijk om al het licht in een korte tijd uit te zenden, maar eerder om de lichtemissie te verspreiden over langere periodes van seconden, uren en zelfs dagen.

 

Dit uitgesteld gedrag kan verkregen worden indien defecten aanwezig zijn in het gastmateriaal, bijvoorbeeld wanneer bepaalde atomen ontbreken. Deze “fouten” stellen het luminescente materiaal namelijk in staat om een deel van de geabsorbeerde energie langdurig vast te houden, net zoals acteurs in staat zijn hun teksten voor lange tijden in hun geheugen op te slaan. Gezien het trage tempo waarmee de opgeslagen energie terug wordt vrijgegeven, wat dan resulteert in lichtemissie of afterglow, spreken we ook wel van persistente luminescentie of glow-in-the-dark.

 

Deze merkwaardige eigenschap werd pas vanaf midden jaren ’90 uitgebreid onderzocht maar is sindsdien veelvuldig toegepast, gaande van glow-in-the-dark-sterren voor aan het slaapkamerplafond, speelgoed, noodsignalisatie en wijzers van een klok tot meer recent biomedische beeldvorming.

 

 

Uitwendige prikkels

De persistente luminescentie die wordt waargenomen in het leeuwendeel van deze toepassingen wordt mogelijk gemaakt door de “onrust” die in het materiaal aanwezig is bij kamertemperatuur. De opgeslagen energie kan namelijk niet zonder uitwendige prikkel, in dit geval warmte, opnieuw worden vrijgegeven, vergelijkbaar met het moment waarop de acteur zijn tekst even niet meer kan herinneren en wat aanmoediging nodig heeft van het publiek in de zaal. Naast de temperatuur zijn er echter nog verscheidene andere prikkels die aanleiding kunnen geven tot lichtemissie, zoals bijvoorbeeld een mechanische actie waarbij druk wordt uitgeoefend of belichting met infraroodlicht.

 

In tegenstelling tot de “onrust” aanwezig bij kamertemperatuur wordt de opgeslagen energie onder invloed van deze prikkels in een veel sneller tempo vrijgegeven. Zoals een schouderklopje van de regisseur tijdens de repetitie of het licht van de schijnwerpers een acteur kan motiveren om een mooiere acteerprestatie neer te zetten, krijgen we aan de hand van deze prikkels een stijging in lichtemissie, boven de afterglow uit, op de positie van de prikkel.

 

 

Drukgeheugenmaterialen: lichten, camera, interactie!

Tijdens mijn thesis heb ik mij verdiept in de wisselwerking tussen de verschillende prikkels, meer specifiek de druktoepassing en het belichten met infraroodlicht. Om deze wisselwerking na te gaan werd een opstelling gebouwd die toelaat beide stimulaties opeenvolgend toe te passen aan de hand van een kraspen (een metalen staaf met een bolvormig uiteinde) en een beweegbare infraroodlaser. Door het uitgezonden licht vast te leggen met een digitale camera en de tijd tussen de prikkels te variëren kon de wisselwerking op systematische wijze worden bestudeerd.

 

Hoewel beide fenomenen afzonderlijk reeds het onderwerp geweest zijn van vele studies, waren er tot op heden geen vermeldingen van enige interactie. Door echter de belichting met infraroodlicht te laten voorafgaan door de mechanische stimulatie gebeurt er iets compleet onverwachts.

 

We observeerden dat door het uitoefenen van druk - de schouderklopjes - gevolgd door het belichten met infraroodlicht - de schijnwerper - het uitgezonden licht op de positie van de druktoepassing zichtbaar krachtiger is dan gewoonlijk. Aangezien het signaal gerelateerd aan de druktoepassing door deze eigenschap tot minstens 72 uur na het aanbrengen van de druk opnieuw zichtbaar kan worden gemaakt, en het materiaal op deze manier een geheugen krijgt van de uitgeoefende druk, hebben we dit materiaal dan ook toepasselijk tot drukgeheugenmateriaal gedoopt.

 

Gedurende mijn thesis werden enkele cruciale aanwijzingen gevonden voor de verklaring van dit gedrag door te kijken naar de interne energieopslag van het materiaal. De druktoepassing geeft klaarblijkelijk aanleiding tot een herschikking van de bezette defecten, wat zorgt voor een grotere lichtemissie op het moment van belichting met de infraroodlaser.

 

 

Vooruitzichten

Aangezien de wisselwerking nog maar voor één materiaal werd onderzocht, is de kans groot dat deze eveneens aanwezig is in een grotere groep luminescente materialen. Een meer uitgebreid onderzoek zal moeten uitwijzen of dit wel degelijk het geval is. Hiernaast is het noodzakelijk om een dieper begrip te krijgen van deze drukgeheugeneigenschap. Zo zijn er verschillende aspecten van het mechanisme waar we momenteel nog geen vat op hebben. Een meer gedetailleerde studie van wat er zich in het materiaal afspeelt tijdens de druktoepassing en de infraroodbelichting is hier van uitermate groot belang.

 

Het potentieel dat deze drukgeheugenmaterialen tonen voor toepassingen is veelbelovend. Eén mogelijkheid die onderzocht wordt, is het aanbrengen van deze materialen op structuren die hevig belast kunnen worden maar onder geen beding mogen breken (denk aan fietskaders of vliegtuigvleugels). Door de drukgeheugeneigenschap kunnen deze materialen vervolgens de positie en de grootte van de ervaren druk visueel weergeven alsook eventuele schade in de structuur aanduiden, tot lang na de eigenlijke belasting.

Bibliografie

[1] Smet, P. F., & Poelman, D. (2016). Luminescence.

[2] Knowledge: Forms of Luminescence. (sd). Opgeroepen op April 2017, van NIGHTSEA-bringing fluorescence to light: http://www.nightsea.com/articles/luminescence/.

[3] Shionoya, S. (2006). Introduction to the handbook. In W. M. Yen, S. Shionoya, & H. Yamamoto (Red.), Phosphor Handbook (2 ed., pp. 3-8). CRC Press Taylor and Francis Group.

[4] Van den Eeckhout, K., Smet, P. F., & Poelman, D. (2010). Persistent Luminescence in Eu2+-Doped Compounds: A review. Materials, 3, 2536-2566.

[5] Lastusaari, M., Bettinelli, M., Eskola, K. O., Hölsä, J., Jungner, H., Kotlov, A., et al. (2012). The Bologna Stone: History's First Persistent Luminescent Material. European Journal of Mineralogy, 24(5), 885-890.

[6] Nakazawa, E. (2006). Fundamentals of luminescence-2.1 Absorption and emission of light. In W. M. Yen, S. Shionoya, & H. Yamamoto (Red.), Phosphor Handbook (2 ed., pp. 11-20). CRC Press Taylor and Francis Group.

[7] Yamamoto, H. (2006). Fundamentals of luminescence-2.3 Luminescence of a localized center. In W. M. Yen, S. Shionoya, & H. Yamamoto (Red.), Phosphor Handbook (2 ed., pp. 35-48). CRC Press Taylor and Francis Group.

[8] Matsuzawa, T., Aoki, Y., Takeuchi, N., & Murayama, Y. (1996). A New Long Phosphorescent Phosphor with High Brightness, SrAl2O4:Eu2+, Dy3+. Journal of the Electrochemical Society, 143(8), 2670-2673.

[9] Blasse, G. (1990). Interaction Between Optical Centers and their Surroundings: An Inorganic Chemist's Approach. Advances in Inorganic Chemistry, 35, 319-402.

[10] Aitasalo, T., Deren, P., Hölsä, J., Junger, H., Krupa, J.-C., Lastusaari, M., et al. (2003). Persistent luminescence phenomena in materials doped with rare earth ions. Journal of Solid State Chemistry, 171, 114-122.

[11] Botterman, J., Van den Eeckhout, K., Bos, A. J., Dorenbos, P., & Smet, P. F. (2012). Persistent luminescence in MSi2O2N2:Eu phosphors. Optical Materials Express, 2(3), 341-349.

[12] Smet, P. F., Avci, N., & Poelman, D. (2009). Red Persistent Luminescence in Ca2SiS4:Eu,Nd. Journal of The Electrochemical Society, 156(4), H243-H248.

[13] Smet, P. F., Botterman, J., Van den Eeckhout, K., Korthout, K., & Poelman, D. (2014). Persistent luminescence in nitride and oxynitride phophors: A review. Optical Materials, 36, 1913-1919.

[14] Bacon, F. (1620). The New Organon or True Directions Concerning the Interpretation of Nature.

[15] Botterman, J., Van den Eeckhout, K., De Baere, I., Poelman, D., & Smet, P. F. (2012). Mechanoluminescence in BaSi2O2N2:Eu. Acta Materialia, 60, 5494-5500.

[16] Eddingsaas, N. C., & Suslick, K. S. (2006). Light from sonication of crystal slurries. Nature, 444, 163.

[17] Verhoye, M. (2016). Principles of in vivo biomedical imaging, preclinical and clinical studies. Universiteit Antwerpen.

[18] Chandra, B. P. (2011). Development of mechanoluminescence technique for impact studies. Journal of Luminescence, 131, 1203-1210.

[19] Chandra, V. K., & Chandra, B. P. (2011). Suitable materials for elastico mechanoluminescence-based stress sensors. Optical Materials, 34, 194-200.

[20] Xu, C.-N., Watanabe, T., & Akiyama, M. (1999). Direct view of stress distribution in solid by mechanoluminescence. Applied Physics Letters, 74(17), 2414-2416.

[21] Xu, C.-N., Zheng, X.-G., Akiyama, M., Nonaka, K., & Watanabe, T. (2000). Dynamic visualization of stress distribution by mechanoluminescence image. Applied Physics Letters, 76(2), 179-181.

[22] Feng, A., & Smet, P. F. (sd). A Review of Mechanoluminescence in Inorganic Solids: Compounds, Mechanisms, Models and Applications.

[23] Vij, D. R. (1998). Thermoluminescence. In D. R. Vij (Red.), Luminescence of Solids (pp. 271-307). Springer.

[24] Bortolot, V. (sd). Thermoluminescence Dating of Art Objects.

[25] Bos, A. (2007). Theory of thermoluminescence. Radiation Measurements, 41, S45-S56.

[26] Van den Eeckhout, K., Bos, A. J., Poelman, D., & Smet, P. F. (2013). Revealing trap depth distributions in persistent phosphors. Physical Review B, 87, 045126.

[27] Miura, N. (2006). Phosphors for X-ray and ionizing radiation-7.2 Phosphors for thermoluminescent dosimetry. In W. M. Yen, S. Shionoya, & H. Yamamoto (Red.), Phosphor Handbook (2 ed., pp. 629-635). CRC Press Taylor and Francis Group.

[28] Van den Haute, P., De Corte, F., & Vancraeynest, L. (1994). Datering van ceramiek op basis van thermoluminescentie: mogelijkheden van de methode, authenticiteitstesten en bijdrage van de archeoloog. Archeologie in Vlaanderen, 4, 365-377.

[29] Smet, P. F., Van den Eeckhout, K., De Clercq, O. Q., & Poelman, D. (2015). Persistent Phosphors. In J.-C. Bünzli, & V. Pecharsky (Red.), Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths (1 ed., Vol. 48, pp. 1-108). North Holland.

[30] Yukihara, E. G., & McKeever, S. W. (2011). Optically Stimulated Luminescence-Fundamentals and Applications. John Wiley & Sons.

[31] Bachmann, V., Ronda, C., Oeckler, O., Schnick, W., & Meijerink, A. (2009). Color Point Tuning for (Sr, Ca, Ba)Si2O2N2:Eu2+ for White Light LEDs. Chemistry of Materials, 21, 316-325.

[32] Clark, J. (2013, October). The effect of surface area on reaction rates. Opgeroepen op April 7, 2017, van chemguide: http://www.chemguide.co.uk/physical/basicrates/surfacearea.html

[33] Mettler Toledo. (2000). Crucibles for thermal analysis.

[34] Kechele, J. A., Oeckler, O., Stadler, F., & Schnick, W. (2009). Structure elucidation of BaSi2O2N2- A host lattice for rare-earth doped luminescent materials in phosphor converted (pc)-LEDs. Solid State Sciences, 11, 537-543.

Universiteit of Hogeschool
Master of Science in de fysica en de sterrenkunde
Publicatiejaar
2017
Promotor(en)
prof. dr. Philippe F. Smet
Kernwoorden