深圳大学物理与光电工程学院彭登峰团队在国际光学顶级期刊Light: Science & Application（IF=23.4，TOP期刊）发表了题为“Self-recoverable mechanoluminescence in simple oxides: Al2O3:Cr”的研究论文。论文第一作者为深圳大学23级硕士生方子奕和张祺安,东南大学潘孝凤博士。论文通讯作者为深圳大学教授彭登峰，东南大学教授巨明刚，华南理工大学教授甘久林和香港城市大学教授王锋，深圳大学为第一作者单位和第一通讯单位。
应力发光（Mechanoluminescence,简称ML）材料可直接将动态机械力转化为光信号，在实时应力传感与智能光子系统中应用前景广阔。然而，主流高性能体系多依赖复杂多组分化合物，普遍存在发光强度不足、稳定性差、难以规模化制备等瓶颈，且能量转换机理尚不明确，高性能近红外自恢复型材料尤为稀缺。
针对上述难题，深圳大学彭登峰、东南大学巨明刚、华南理工大学甘久林及香港城市大学王锋团队联合展开研究，在简单氧化物中取得重要进展，成功开发出具有自恢复近红外应力发光特性的简单氧化物Al2O3:Cr材料，并揭示了应力诱导发光中心电子电离与再捕获的自恢复发光机制。通过精确调控掺杂浓度、退火条件与构建异质结界面，材料获得高性能、可重复且稳定的近红外发射。依托氧化铝储量丰富、成本低廉、化学稳定的优势，团队进一步研制出柔性应力发光纸，用于应力可视化与多级防伪，并在刚性的铬铝合金表面原位生长发光层，实现无源实时应力监测。
图1 Al2O3:Cr3+中自恢复应力发光的理论研究。(a) Al2O3:Cr3+的晶体结构。(b)无应力与受应力条件下CrAl缺陷的形成能，虚线表示自洽费米能级；插图为局域原子结构（蓝色：Cr，黄色面：电荷密度分布）。(c)无应力条件下基态CrAl0（4A2）缺陷的态密度（DOS）及对应的CrO6八面体结构（蓝色：Cr，红色：O），箭头示意Cr的三个电子占据t2g能级。(d)受应力条件下离化态CrAl1+缺陷的DOS及对应的CrO6八面体结构，箭头示意两个电子占据t2g能级。(e)配位场中电子在不同能态间的激发、弛豫与复合过程示意图。(f)无应力条件下激发态CrAl0（2E）缺陷的态密度及对应结构，箭头示意t2g能级中三个电子的占据情况（其中一个为反平行自旋）。(g)在应变激发下，束缚激子从发光中心发生电离并跃迁至导带底（过程1），随后经历弛豫过程（过程2），最终与基态空穴发生辐射复合（过程3）；该过程的驱动力（D）主要包括能带弯曲、偶极矩增强以及电子–声子耦合增强。
研究首先从微观机理出发，通过密度泛函理论计算与电子结构分析，揭示了应力作用可显著调控CrAl缺陷的形成能，并诱导发光中心发生CrAl0向CrAl1+的电离转变。在此基础上，结合态密度与配位场理论，明确了Cr3+在不同电子态下的占据与跃迁行为，进一步分析出束缚激子在应力激发下经历电离、弛豫及辐射复合过程，最终实现近红外自恢复应力发光，构建了“应力诱导电离—载流子迁移—再复合发光”的自恢复机制模型。
图2 Al2O3:Cr3+的结构与组成。(a) Al2O3:1%Cr3+的Rietveld精修XRD结果。(b) Al2O3晶体结构示意图，Al3+离子占据八面体间隙位。(c) Al2O3:1% Cr3+的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像。(d)由(c)中选区（深蓝色框区域）获得的快速傅里叶变换（FFT）图像，对应晶面间距为0.1428 nm。(e)选区电子衍射（SAED）图样。(f)能量色散X射线谱（EDS）元素分布图。
在明确机理的基础上，进一步从结构层面出发，验证材料体系的构建合理性与掺杂有效性。通过XRD精修、TEM及EDS，系统证实了样品具有高纯刚玉结构和良好的结晶质量，Cr3+能够稳定取代进入晶格并形成均匀分布的配位环境。这些结果为应力发光性能的实现提供了可靠的结构基础。
图3 Al2O3:Cr3+的ML性能及增强策略。(a)不同掺杂浓度（x = 0.01、0.1、0.5、1、2和4%）Al2O3:xCr3+样品在30 N载荷下的ML光谱。(b)经不同温度（1573–1923 K）退火的Al2O3:1%Cr3+样品在30 N载荷下的ML光谱。(c) Al2O3:1%Cr3+在不同载荷（5–35 N）条件下的ML光谱。(d)已报道的Cr3+掺杂应力发光材料体系的ML光谱及其积分强度对比。(e)在无预辐照条件下，Al2O3:Cr3+在10 N载荷下经过7000次循环加载的ML稳定性。(f)不同Al2O3/Ga2O3比例的Al2O3/ Ga2O3:Cr3+异质结的ML光谱。(g)不同Al2O3/ Ga2O3比例异质结的ML积分强度。
图4基于密度泛函理论（DFT）对Al2O3:Cr3+温度依赖性ML的解释。(a)在1950 K生长的Al2O3中，300 K下平衡缺陷浓度随退火温度的变化关系。(b)初始退火温度1600 K与最优退火温度1950 K条件下的载流子浓度对比。(c)室温下Al2O3:Cr3+的计算载流子浓度，随退火温度及化学势变化的关系。
围绕性能优化这一目标，系统研究了掺杂浓度、热处理条件及外加载荷对应力发光行为的影响规律。结果表明，通过合理调控掺杂与退火工艺，可以显著提升发光强度，并实现稳定的力响应发光行为。同时，在无需预辐照条件下材料仍具备优异的循环稳定性。进一步通过构建Al2O3/Ga2O3异质结构，利用界面工程在促进载流子输运与辐射复合方面的作用，实现了发光性能的进一步增强。为深入理解热处理对性能提升的内在原因，从缺陷与载流子调控角度开展了理论分析。计算结果表明，退火温度升高可显著提高缺陷浓度并调控载流子分布，在不同化学势条件下均呈现一致趋势，说明热处理通过协同调控缺陷与载流子行为，有效增强了应力发光响应，为实验优化提供了理论依据。
图5 Al2O3:Cr3+的应用探索。(a)基于应力发光纸实现的手写键盘图案可视化。(b)通过热氧化在Cr–Al合金表面原位形成Al2O3:Cr3+薄膜的示意图。(c)经自然环境存放1年后Cr–Al合金的应力发光光谱。(d,e)合金在热氧化前后的表面形貌。(f) Al2O3:Cr3+薄膜在365 nm紫外灯激发下的光致发光（PL）表现。(g) Cr–Al合金在弯曲形变下的柔性表现。(h)外力作用下薄膜的ML图像及(i)对应的灰度强度分布图。(j) Cr–Al合金及其表面Al2O3:Cr3+薄膜的截面扫描电镜（SEM）图像及EDS元素分布。
在应用层面，着眼于实际工程需求，探索了该材料在多种场景中的应用潜力。基于粉体构建的应力发光纸可实现信息可视化显示；通过热氧化在Cr–Al合金表面原位构建发光层，实现了无需外部供能的应力响应，并在长期存放后仍保持稳定性能。同时，该体系兼具良好的柔性适应能力与清晰的应力发光响应，结合其稳定的界面结构，展示了其在结构健康监测等领域的应用前景。
本研究构建了基于Al2O3:Cr3+的简单氧化物自恢复近红外应力发光体系，基于密度泛函理论揭示了应力诱导电子电离与再捕获的发光机制，并通过掺杂调控、高温退火及异质结界面工程，实现了高亮度、可重复及热稳定的近红外应力发光性能。相关研究从理论与实验两方面阐明了缺陷与载流子调控对发光行为的关键作用，为高性能应力发光材料的设计提供了可推广的研究思路。依托氧化铝低成本、高稳定及易规模制备等优势，该体系在柔性应力可视化、多级防伪以及合金结构无源实时监测等领域展现出良好的应用潜力，在结构健康监测与智能光子器件方向具有广阔前景。
该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省杰出青年科学基金、广东省重点领域研发计划、深圳市基础研究项目以及深圳大学医工交叉研究基金的资助。
论文信息：Fang, Z., Pan, X., Zhang, Q. et al. Self-recoverable mechanoluminescence in simple oxides: Al2O3:Cr, Light Sci Appl 15, 200 (2026).https://doi.org/10.1038/s41377-026-02274-w
