近期，宋恩海副研究员以华南理工大学为第一单位在《自然通讯》杂志(Nature Communications) 在线发表了题为“Mn2+-activated dual-wavelength emitting materials toward wearable optical fibre temperature sensor”的研究论文。文章提出了基于Mn2+离子激活双峰发射材料构建稳定柔性可穿戴光纤温度传感器的策略。

过渡金属离子Mn2+由于独特的3d5电子构型，其d-d电子跃迁发光具有光色可调且色纯度高的特征，在照明和显示等领域具有重要的应用。由于Mn2+离子的d电子具有一定的离域性，当Mn2+与Mn2+之间足够近（~5 Å）且有共用阴离子连接时，会形成磁耦合的Mn2+-Mn2+离子对。与单个Mn2+离子发光不同，团队前期研究发现Mn2+-Mn2+离子对发光通常位于近红外区域，并且具有明显更敏感的荧光热猝灭特性。因此，利用单个Mn2+离子与Mn2+-Mn2+离子对不同的热猝灭特性有望实现荧光温度探测。然而，如何实现这一特殊的Mn2+-Mn2+离子对发光却面临着巨大挑战。

图1. 柔性复合可穿戴光纤的结构设计与制备

近日，宋恩海副研究员在第一性原理计算预测的基础上，通过简单高掺Mn2+的策略在Li2ZnSiO4:Mn2+体系中实现了单个Mn2+离子到Mn2+-Mn2+离子对的可调发光。研究发现，较低浓度Mn2+掺杂时，Mn2+将只占据Zn2+格位产生窄带绿光发射（530 nm）；而高浓度Mn2+掺杂时，Mn2+将同时占据Zn2+与Li+格位并且形成Mn2+-Mn2+离子对产生宽带红光发射（650 nm）。不同浓度Mn2+样品的实验与模拟电子衍射和扩展X射吸收精细结构分析很好的证明了这一点，并且与理论计算的结果一致。由此，提出Li2ZnSiO4:Mn2+中Mn2+-Mn2+离子对的发光机理。

图2. 柔性复合可穿戴光纤温度传感技术原理及测量

值得指出的是，由于来源于单个Mn2+离子发射的绿光峰 （530 nm）与来源于磁耦合Mn2+-Mn2+离子对发射的红光峰（650 nm）具有明显不同的热猝灭特性，但却展现出非常相似的激发光谱，这种材料在构建稳定的（不受激发光源波长波动影响）比例型温度传感器具有明显的优势。基于此，团队进一步通过将Li2ZnSO4:Mn2+、弹性体与PDMS等复合制备了柔性的比例型光纤温度传感器。由于其良好的精度、灵敏度、重复性、稳定性以及无生物毒性，并且可实现接触式和非接触式的实时温度探测，在可穿戴器件领域具有一定的应用潜力（如图1和2所示）。

该论文第一单位为华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室、广东省光纤激光材料与应用技术重点实验室与广东省特种光纤材料与器件工程技术研发中心、论文通讯作者为华南理工大学宋恩海副研究员、甘久林研究员和张勤远教授，宋恩海副研究员和硕士生陈美华为论文的共同一作。该项目得到国家自然科学基金项目（51972117、52130201）、广州科技计划项目（202002030089）与华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室自主创新研究项目等的资助。