环境光激活的可重写光学图案化透明长余辉石榴石陶瓷

《Laser & Photonics Reviews》：Ambient-Light-Activated Rewritable Optical Patterning in Transparent Long-Afterglow Garnet Ceramics

　　

在环境条件下实现可逆光学图案化仍是一项重大挑战，这源于其对高透明度、优异可重写性及可被广泛光源高效激发的严苛要求。研究人员展示了一种以正硅酸四乙酯（TEOS）为烧结助剂、通过固相烧结制备的透明长余辉钇铝镓石榴石陶瓷Y3Al2Ga3O12:Ce（YAGG:Ce），其可在太阳光激活下实现可重写光学信息存储。通过对TEOS浓度（0.6–1.2 wt.%）的系统优化，研究人员实现了对孔隙率和氧空位陷阱的精准调控。经优化的陶瓷（0.8 wt.% TEOS）展现出卓越的综合性能，能够利用普通白光手电筒或直接太阳光写入高对比度光学图案。存储的图案可依据长余辉特性长时间保持，并可在多次循环中快速擦除且无明显的疲劳现象。此外，研究人员基于陷阱深度分析引入了一种热刺激读取模式（通过考虑量子隧穿效应的初始上升法估算最浅陷阱深度约为0.90 eV，并通过575 K处的热释光峰估算主陷阱深度约为1.15 eV），其中褪色的信息可通过60°C的温和加热有效恢复。通过在坚固的陶瓷基质中集成了环境光操作性、可逆性和高光学清晰度，这项工作为可持续、高分辨率和动态光子存储与显示平台建立了新的范式。

该研究针对当前动态光学信息存储技术对环境光响应的迫切需求展开。现有长余辉材料体系，如硫化物、铝酸盐及硅酸盐，普遍存在化学稳定性差、余辉性能不足或依赖窄带激发源等问题，难以同时兼顾高透明度、持久发光与环境光下的可重写操作。为此，研究人员开发了基于钇铝镓石榴石结构的新型透明陶瓷，旨在通过缺陷工程解决上述瓶颈。

为开展此项研究，研究人员采用了几个关键技术方法：首先，采用固相烧结结合两步烧结工艺制备YAGG:Ce透明陶瓷，以正硅酸四乙酯（TEOS）为烧结助剂，系统调控其在0.6至1.2 wt.%的浓度梯度；其次，综合运用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）及电子顺磁共振（EPR）等手段表征材料的微观结构与氧空位缺陷；再次，通过热释光（TL）光谱与余辉衰减曲线分析材料的陷阱分布与动力学过程；最后，搭建光学图案化测试平台，评估材料在环境光下的信息写入、擦除、重写及热刺激读取性能。

2.1 烧结助剂调控的微观结构与光学透明度

研究人员发现TEOS浓度对陶瓷致密化至关重要。当浓度为0.8 wt.%时，样品孔隙率最低，致密度最高，且无明显的元素偏析，从而获得了最高的光学透过率。虽然较低透过率的样品表现出更强的荧光强度，但0.8 wt.%的样品在图案成像质量上表现最优，因其高透明度减少了光散射，确保了图案的锐利对比度。

2.2 晶格工程：阳离子取代诱导氧空位形成

结构表征证实所有样品均形成了纯相石榴石结构。XPS与EPR分析表明，随着TEOS含量增加，材料中非晶格氧比例上升，氧空位浓度显著增加。这归因于TEOS分解产生的Si⁴⁺取代Al³⁺引发的电荷补偿机制，促进了氧空位的形成。半定量分析进一步验证了样品的化学计量比与设计预期相符。

2.3 可调谐长余辉与热释光动力学

研究结果表明，环境光（包括白光手电筒和太阳光）均可有效激发YAGG:Ce产生持续超过1小时的长余辉。氧空位被确认为主导电子陷阱。热释光分析揭示材料中存在以约1.15 eV为主的深陷阱和以约0.90 eV为起始的浅陷阱分布。余辉衰减遵循幂律关系，证实了室温下量子隧穿效应是电子从深陷阱释放的主导机制，辅以热辅助作用。过高的氧空位浓度会因增强非辐射复合而抑制余辉强度。

2.4 手电筒激活的可重写光学图案化与信息存储

基于优化的光学与陷阱特性，研究人员成功实现了利用手持白光手电筒进行高对比度图案的写入、擦除与重写。由于长波长可见光散射较弱，白光手电筒激发的图案对比度优于紫外光。此外，研究人员创新性地提出了“热刺激读取”模式：对于随时间自然褪色的图案，通过60°C的温和加热可触发热释光，使信息有效恢复。经过5次循环测试，该模式保持了稳定的信号恢复率（约74.53%）且无热疲劳，展现了优异的重写稳定性。

3 结论

研究人员开发了一类新型透明长余辉YAGG:Ce陶瓷，首次实现了环境光激活的可逆光学图案化。通过TEOS辅助烧结策略精准调控孔隙率与氧空位陷阱，材料成功平衡了高透明度与缺陷介导的捕获能力。深陷阱分布通过热辅助隧穿效应实现了长寿命余辉，而高结晶度的石榴石基体确保了快速的动力学响应。该材料支持利用普通白光手电筒进行多循环的高对比度信息操作，并结合热刺激读取机制显著提升了信息安全等级。这种集环境友好性、结构稳定性和动态功能于一体的材料，填补了高性能长余辉材料在实际环境操作中的空白，为可重写光学存储、智能显示及防伪加密等光子学应用开辟了新途径。