通过II型电子跃迁增强的ZnS:Mn/ZnO异质结阵列芯片的优越机械发光性

来自轻触的光

想象一种表面：无论你在何处按压，它都会发光——而且不仅是明亮的光，还能呈现出你按压的力度和位置的详细地图。本研究报告了一种由工程化薄膜制成的新型芯片，它正能做到这一点，即便在非常微小的力下也能强烈发光。这种技术可作为未来电子皮肤、超灵敏触感传感器以及将应力和压力以光形式呈现的智能工具的基础。

为什么把压力变成光很难

在被挤压或摩擦时会发光的材料——称为机械发光——多年来一直以粉末掺入弹性聚合物的形式被研究。这些混合物可以显示应力的分布，但它们的行为更像堆积的砂砾：许多微小颗粒以复杂方式相互接触。正是这种复杂性使得很难弄清光的真实产生机制，也限制了应力测量的精度。更糟的是，大多数现有系统在开始发光之前需要相对较大的力，这在你想要感知细微触碰、弱脉冲或小幅压力变化时是一个问题。

构建光敏芯片，而不是粉末

为了超越粉末形式，研究人员使用标准半导体工艺制造了一块薄型集成芯片——与制造计算机芯片相同的技术。他们在一层氧化锌（ZnO）上堆叠了掺锰的硫化锌（ZnS:Mn）薄膜，并在硫化热处理过程中精确控制各材料的保留位置。这样形成了规则的微小方形“像素”网格，每个像素都是两种材料之间的明确结点。在紫外光照射下，这些方块呈黄色发光，证实每个像素是受控的发光区域，而不是随机的颗粒簇。由于像素尺寸可以从纳米到毫米范围调节，该芯片原则上可以为低分辨率或高分辨率的应力成像进行定制。

解锁隐藏电子以获得更亮的光

真正的创新在于这种层状结构如何重排电子的能量格局。在大多数早期设计中，压力下的发光来自数量有限的电子，这些电子要么从材料内部的缺陷中被震脱，要么在摩擦界面被传递过去。在这里，团队工程化能带，使得ZnS:Mn中处于较低能量“价带”的电子在受到压迫时可以直接跳跃到ZnO中较高的“导带”。这种所谓的II型跃迁有效地利用了先前未被使用的庞大电子储备。实验表明，所得到的芯片发光强度约比没有该特殊结点的类似薄膜高出四倍，并且在极低的力——仅0.05牛（大约一枚小回形针的重量）——下就开始发光。

将力以光与电同时可视化

由于该器件构建得像真正的电子元件，作者能够同时监测光信号和电信号。当按压ZnS:Mn/ZnO芯片时，会出现短暂的电流脉冲，且其幅度随施加力增大而增大。在相同条件下，单独的ZnS或ZnO常规薄膜并不显示此类电流峰值。这表明按压异质结构确实产生了额外的可移动电荷，这些电荷通过更具导电性的ZnO层流动，而其对应的空穴则留在ZnS:Mn层并助于产生光。在测试中，芯片表现得像像素化的压力相机：当笔尖划过或写出图案时，简单的成像传感器可以记录发光轨迹，甚至基于亮度估算每一笔的力度。

从发光芯片到电子皮肤

研究得出结论：通过智能地堆叠材料以促进II型电子跃迁，可以显著提高压力诱导发光的效率和灵敏度。将熟悉的发光粉末转变为洁净、晶圆尺度的像素阵列并几乎没有力阈值，作者指向了一代新的薄型被动芯片，这些芯片可以将触碰直接转换为光学和电学信号。对非专业读者而言，这意味着未来的机器人手、医疗传感器和科学仪器能够实时“看见”和测量力的分布模式，从而开启更灵敏且比现有电子压力传感器更易集成的电子皮肤与仪器的道路。

引用: Fan, J., Wang, Y., Zhong, A. et al. Superior mechanoluminescence of ZnS:Mn/ZnO heterostructure array chip boosted by type II electron transition. Microsyst Nanoeng 12, 143 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01284-3

关键词: 机械发光, 应力传感, 异质结构, 电子皮肤, ZnS ZnO 薄膜