上交臧法珩教授团队最新突破！

近日，上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）微米纳米加工技术全国重点实验室臧法珩副教授团队，在柔性力学发光与可视化传感领域取得重要突破。相关研究成果以 “基于微纳层级化结构的视觉编码机械发光”（Visually encoded mechanoluminescence through hierarchical structuring with microscale patterns and nanoscale features）为题，正式发表于国际权威期刊《Nature Communications》。

机械致发光（Mechanoluminescence, ML）是一种无需外部光源，仅通过按压、拉伸、弯折等机械作用即可直接触发发光的特殊现象，凭借无源工作、结构简单等优势，在防伪标识、动态显示、应力监测及柔性人机界面等领域具有广阔应用前景。然而，传统 ML 薄膜长期面临两大核心瓶颈：一是发光效率偏低，在自然光环境或低应力作用下亮度不足；二是发光区域模糊不清，难以精准区分受力的具体位置与强度，更无法实现 “像素级” 的精细成像 —— 这些问题导致 ML 器件始终未能真正成为实用化的 “视觉力传感器”。

为破解上述难题，团队创新性地提出了一种全新研究思路：在不改变原有发光材料体系的前提下，通过几何结构与层级化设计，对 “力 - 光” 转换链路进行系统性重构。研究将核心问题拆解为两个关键 “通道” 的优化：在力学通道上，通过结构设计让薄膜内部的应力更集中、分布更可控，从而高效激活目标区域的 ML 发光中心；在光学通道上，通过优化减少界面反射和内部 “困光” 现象，提升光子从薄膜内部 “逃逸” 的概率，进而增强发光的可见亮度与图像对比度。唯有同时解决这两个通道的问题，才能在单张连续薄膜上实现清晰、可编程、可设计的力学发光图案。

基于这一思路，团队在 ZnS:Cu–PDMS 复合薄膜中构建了微纳两级层级结构：其一为微米级凸柱 / 凹孔阵列（尺寸约 40–100μm），通过调控几何边界与周长 / 面积比，实现应力的选择性集中与重分布；其二为纳米级蜂窝状表面纹理（微米级直径、百纳米级线宽与间距），通过多尺度散射效应抑制全内反射与信号损耗，显著提升光子出射效率。这两级结构协同作用，在未改动 ML 材料配方的情况下，成功将薄膜在绿光波段（约 521nm）的发光强度提升超 300%，同时大幅增强了图像对比度与边界清晰度。

通过合理排布不同微结构单元，团队在单张连续薄膜上 “写入” 了熊猫等预编码图案：当薄膜受到应变作用时，预设计的熊猫图案会被清晰点亮，其有效空间分辨率达到约 637 PPI。整个发光过程无需外加光源、电源，也无需逐像素布置电极布线，所有视觉信息均由薄膜自身的结构设计决定 —— 这意味着一张 ML 薄膜即可成为一块 “受力自发光的像素屏”，以预设计方式直观呈现力学信息。

该研究通过将应力场工程与光子管理技术相结合，构建了一套支持实时动态应力可视化、被动式工作的薄膜应力传感平台。值得注意的是，研究中采用的光刻、压印等均为工业级图形化技术，这使得该薄膜应力监测方法具备向更大监测区域扩展、生成更丰富预编码图案库的潜力，同时可通过选择不同力致发光材料或采用分层设计实现多色彩呈现。此项技术的成功，首次将柔性薄膜与柔性结构的内部力学场精准转化为像素级光学信息，不仅突破了传统 ML 器件的性能瓶颈，更提供了一种通用化的结构 - 光学协同设计方案，为柔性力学发光与可视化传感技术的实用化奠定了重要基础。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64558-w

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