Study and modellization of mechanoluminescent materials

Mechanoluminescence (ML) is the emission of light from some materials when a mechanical stimulus is applied to them. The most studied phosphors are ZnS crystals doped with Cu or Mn because they exhibit the brightest luminescent emission. For practical applications, embedding them in a polymer matrix like PDMS is very promising because flexible and stretchable mechanoluminescent devices can be created. However, the phenomenon is not yet fully understood, there are commercially available powders produced from big industries that exhibit the phenomena and basic devices build on using PDMS. There is the need to understand it more deeply, to develop the technology and develop its hidden potential to create more interesting applications using this phenomenon. Since a lot of questions are unresolved and not present in literature, the aim of this thesis is to find the basic concepts and mechanism for a more complete study. During the development of the project, four main points will be studied. • Mechanoluminescent introduction and detailed explanation of all the phenomena related to it • Setting the experiment and detection of mechanoluminescence of some simple devices • The finite element analysis is one of the most powerful tool to understand and solve engineering problems and therefore make a correct and precise model is needed for further studies and for a deeper understanding. Moreover, it turns out to be difficult to produce an accurate model for the analysis, especially concerning the sample geometry. Therefore, it was developed a way to create meshes from pictures using some simple codes in Matlab and Python. • Finally, a new theory based on mechanoluminescence will be discussed and an experimental verification of the theory will be shown. A more extensive analysis and experimental study have to be done to understand fully the phenomenon and improve it but this thesis will provide some basic concepts, analysis techniques and experimentation procedure to produce ML phosphors and devices.

La meccanoluminescenza è un fenomeno per cui un materiale emette luce quando è sottoposto ad uno sforzo meccanico. Vi sono diversi tipi di fosfori meccanoluminescenti disponibili sul mercato, ma il seguente studio si occuperà specialmente di capire il funzionamento di quelli più promettenti, le particelle di ZnS dopato con atomi di manganese o di rame. Queste sono le più usate in quanto sono quelle che hanno il più basso valore di soglia dello stress per esibire il fenomeno della meccanoluminescenza e per cui sono più soggette a sperimentazioni per applicazioni pratiche. Per capirne il funzionamento e riprodurle in laboratorio, diversi passaggi sono stati necessari e nei seguenti quattro capitoli verranno descritti in modo molto dettagliato. È necessario innanzitutto un’ampia introduzione sul comportamento dei semiconduttori, sull’effetto piezoelettrico e sulla meccanoluminescenza per capirne il funzionamento e comprendere quali sono i materiali che possono esibire il fenomeno. Questo viene descritto in modo dettagliato nel primo capitolo nel quale sono anche classificate le caratteristiche dei materiali che saranno studiati. Nel secondo capitolo è illustrata la strumentazione utilizzata ed i provini creati con PDMS e ZnS per la sperimentazione seguendo il processo di produzione descritto in letteratura. Sarà anche provata sperimentalmente la teoria di Chandra per la quale l’emissione di luce di un materiale per effetto della meccanoluminescenza è dovuta ai dopanti e non agli atomi che compongono la struttura cristallina. Con il terzo capitolo si apre l’analisi vera e propria, con lo studio degli elementi finiti per analizzare il fenomeno di trasferimento di sforzi fra la matrice di PDMS e la particella inorganica di ZnS. Diversi passaggi sono stati affrontati per la realizzazione dell’analisi finale. Innanzitutto sono rappresentate due situazioni ideali in cui la particella non risente dell’interazione dell’ambiente circostante e il caso in cui invece due particelle interagiscono completamente fra di loro per capire come cambia l’intensificazione degli sforzi. Inoltre sono analizzate altre due situazioni ideali, quali il completo trasferimento di stress dalla matrice alla particella e la situazione opposta, cioè la mancanza di interazione. Queste ultime costituiscono le estremizzazioni dei casi di interazione che possono essere presenti all’interno della matrice. Per finire e creare una situazione più realistica vi è stato bisogno di fare una “proof of concept analysis” tenendo conto della forma e dimensioni delle particelle. Un modo per farlo è quello di raffigurare nei software quali Abaqus e Comsol un’immagine vera e propria del provino. Quindi è stato necessario un processo per trattare l’immagine, modificare la scala di grigi e ritagliare un’immagine binaria sulla quale poi fare la mesh che è stata importata ed utilizzata per l’analisi agli elementi finiti nei due software. Infine, nel quarto ed ultimo capitolo, avendo ottenuto dei valori numerici di sforzo con l’analisi agli elementi finiti, viene proposta una teoria per il funzionamento della meccanoluminescenza di ZnS dopato e possibili vie per ottimizzarle. La teoria sarà provata poi con la parte sperimentale di produzione che richiede però ulteriori analisi per migliorare la tecnica adottata.