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具有獨特孿晶鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的Ba8Ti3Nb4O24: Pr3+光致變色材料

光存儲技術(shù)基于空間選擇性光響應(yīng)原理，利用光誘導(dǎo)材料發(fā)生物理或化學(xué)狀態(tài)變化實現(xiàn)二進制數(shù)據(jù)(0/1)的編碼存儲。研究人員已系統(tǒng)探索了光還原、光失活、光折射及光致變色等多種光響應(yīng)機制。其中，基于電子俘獲原理的光致變色材料，在特定波長光照下能夠發(fā)生可逆的顏色變化。這種顏色與光波長的精準對應(yīng)關(guān)系可直接轉(zhuǎn)換為二進制編碼信號，使其成為高密度光存儲介質(zhì)的優(yōu)勢候選體系。近年來，隨著智能光學(xué)器件和高密度信息存儲需求的增長，無機光致變色材料因其廣闊的應(yīng)用前景受到廣泛關(guān)注，相關(guān)研究已取得顯著進展。然而，該類材料仍面臨光響應(yīng)速度遲緩、變色對比度不足、色階調(diào)控單一、光譜響應(yīng)范圍窄及作用機制不明確等瓶頸問題，嚴重制約其實際應(yīng)用。特別是在大容量光存儲領(lǐng)域，材料需同時滿足超快光響應(yīng)、高對比度信息寫入和多維信息讀取等嚴苛要求，傳統(tǒng)光致變色材料體系已難以適應(yīng)技術(shù)發(fā)展需求。

近日，在國家基金委海峽基金重點項目、國家基金面上項目以及福建省杰青項目等支持下，中國科學(xué)院福建物構(gòu)所林航研究員和王元生研究員帶領(lǐng)的團隊聚焦于該類材料，基于高溫固相法成功制備了一種新型快速光致變色鈮酸鹽陶瓷Ba8Ti3Nb4O24: Pr3+(BTN:Pr3+)，進而基于紅外輻射低溫快速燒結(jié)技術(shù)，制成玻璃陶瓷。BTN:Pr3+的晶體結(jié)構(gòu)由一種特殊的立方-六方混合堆積模式組成，內(nèi)部形成孿晶面，又被稱為 “孿晶鈣鈦礦”，展現(xiàn)的光致變色響應(yīng)時間低至20 ms，響應(yīng)速度遠快于現(xiàn)行秒級響應(yīng)無機光致變色材料。結(jié)合實驗研究和計算，我們推測其快速光致變色響應(yīng)的特性與材料內(nèi)部單一類型的色心有關(guān)，即載流子無需經(jīng)歷常見多色心情況下的重新分布;而緊密堆積的晶體結(jié)構(gòu)與孿晶面則為載流子提供了快速傳輸通道?；谏鲜龉庵伦兩匦?，我們在BTN:Pr3+陶瓷中成功實現(xiàn)了信息實時寫入-顯示的可重復(fù)擦寫操作，并通過演示性實驗展示了高速逐位信息光存儲與雙模式讀取功能。

該成果以“Twin-Perovskite Structured Ba8Ti3Nb4O24: Pr3+:A Fast Photochromics with Millisecond-Level Response Speed for Optical Storage”為題，發(fā)表于《ACS Energy Letters》(ACS Energy Lett. 2025,10,484?495）。論文第一作者是福州大學(xué)聯(lián)培生董高明，通訊作者是林航和王元生。

    此前，該團隊在電子俘獲型玻璃陶瓷研究方面取得了一系列重要進展，相關(guān)成果相繼發(fā)表在Laser & Photon. Rev.,2019,13,1900006、Light: Sci. & Appl.,2020,9,22,ESI TOP 1%、Laser & Photon. Rev.,2023,17,2200734,、Laser & Photon. Rev.,2024,18,2300744等，受到了國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注。