摩擦发光是指固体材料在机械压力作用下被挤压或断裂时所产生的发光现象^[1-4]。摩擦发光在损伤监测^[5-6]、X射线成像^[7-8]以及照明和显示系统^[9-11]等方面有着广阔的应用前景。为了更好地促进和拓宽摩擦发光应用，研究者们对摩擦发光材料及摩擦发光机理进行了广泛的研究。

很多晶体材料由于具有压电特性，从而能够产生摩擦发光现象，例如蔗糖晶体^{[1, 12-13]}、金属卤化物晶体^[13-14]和ZnS∶Mn晶体^[15-16]等都是经常被报道的摩擦发光材料。这使得晶体材料成为摩擦发光领域的研究热点。迄今为止，相关研究主要集中在机械能对晶体材料摩擦发光的影响等方面，而关于晶向在晶体材料摩擦发光中的作用研究较少。早在1925年，Longchambon在切割蔗糖单晶时，发现除了沿热电轴方向切割不会发光之外，沿其他方向切割均有发光产生^[1]。1960年，利用金属块撞击晶体表面，Warschauer和Reynolds发现平行晶体C轴撞击时发光最强^[1]。1980年，Brewer等^[17]在Al₂O₃样品的光致发光中，观测到晶体C轴垂直电轴时光强最强，而晶体C轴平行电轴时光强最弱。2007年，Hird等^[18]对金刚石晶体进行抛光时发现，沿着晶体(110)晶面抛光时发光强，而沿着晶体(100)晶面抛光时发光较弱。近年来，Wang等^[19]开展了滑动摩擦中摩擦发光规律的研究，发现Al₂O₃晶体作为静止的摩擦副时，摩擦发光强度受晶向影响显著，并利用表面态理论解释了晶向影响发光强度的原因。

在摩擦发光研究中，SiO₂和Al₂O₃也是两种比较常见的材料。清华大学宋长辉等^[20]在SiO₂与金属摩擦过程中探测到了800 ~ 1 000 nm波段的近红外光，为摩擦发光在癌症检测与治疗等方面^[21-22]的应用开拓了新的思路。摩擦起电是摩擦发光的一个主要起因，两者之间联系密切并且相互影响。李娜等^[23]实验观测了SiO₂和Al₂O₃摩擦过程中摩擦发光光强随转速的变化，并以此提出了描述摩擦起电中电荷转移动力学行为的“电容器模型”。王中林等^[24-26]利用SiO₂、Al₂O₃等材料的摩擦起电制成摩擦纳米发电机，成功地将机械能转化为电能，并应用到物联网、传感网络、环境保护、人工智能等领域。

为了进一步研究晶向对摩擦发光的影响规律，探索摩擦发光机理，本文利用自行研制的摩擦发光探测装置，以SiO₂和Al₂O₃为摩擦副，实验研究了滑动摩擦过程中作为动摩擦副的SiO₂晶体3个不同晶向表面的摩擦发光特性，并对其机理进行了分析和解释。这一工作将有助于提高摩擦发电机的工作效率，并为摩擦发光的应用提供理论依据。

1 实验 1.1 实验装置

摩擦发光实验采用了盘-盘式滑动摩擦装置，整个装置置于暗箱内以减少环境光的影响(见图 1)。在该装置中，上摩擦副盘片4垂直放置，下摩擦副盘片5水平放置，上盘片边缘与下盘片平面接触，下压力F_N为0.89 N。摩擦过程中，上盘片静止，下盘片绕其中心旋转，转速范围为150~750 r/min。上下摩擦副盘片滑动接触过程中发射出的光子通过光纤12传输到光谱仪13(HORIBA Scientific，iHR320)。光谱仪13配有波长探测范围在200~900 nm的光电倍增管14(PMT，Hamamatsu R928)。与光谱仪13连接的计算机18可以记录和分析摩擦发光光强和光谱数据。

1.2 实验材料

实验选取Al₂O₃陶瓷作为上摩擦副盘片，SiO₂晶体作为下摩擦副盘片。实验样品购自上海大恒光学精密机械有限公司，所有样品盘片直径为30 mm、厚度为2 mm。样品盘片SiO₂晶体属于三方晶系，不同晶向盘片表面的晶面分别为(110)、(200)和(003)(见图 2a)。

为了确认实验样品晶向的正确性，对3种SiO₂晶体盘片分别进行了X射线衍射(XRD)检测。XRD测量结果如图 2b所示，(110)、(200)和(003)晶面SiO₂晶体盘片的XRD主峰依次出现在36°、42°和50°附近，晶向检测正确。

2 结果与分析 2.1 晶向对摩擦发光光强的影响

为研究SiO₂晶体不同晶面的摩擦发光特性，测量了滑动转速在150、300、450、600和750 r/min下的摩擦发光光强，如图 3所示，其中每个数据点是6次测量数据的平均值。由图 3可知，随着滑动转速的增加，SiO₂晶体所有晶面的摩擦发光光强都随之增大。同时，晶向对摩擦发光有着显著的影响。在同一转速下，SiO₂晶体的摩擦发光强度从强到弱依次为(003)、(200)和(110)晶面。

2.2 摩擦发光机理

为了解释SiO₂晶体不同晶面的摩擦发光特性，首先需要了解其摩擦发光产生机理。为此，实验测量了滑动转速为600 r/min时，不同晶面SiO₂晶体盘片与Al₂O₃陶瓷摩擦时的发光光谱(见图 4)。从图 4中看出，摩擦发光在紫外、可见和红外区域均出现谱峰，并且谱峰的位置基本一致，说明它们的发光具有相同的起源。

通过与气体放电光谱进行对比^{[23, 26-27]}，发现本文中摩擦发光均来自于气体放电。其中，316、337、358、381、390、400和427 nm处的光谱峰源于氮气分子电子轨道C³π→B³π的电子跃迁^{[23, 27-28]}；632、671、716和750 nm处的光谱峰源于氮气分子电子轨道B³π→A³Σ的跃迁^{[23, 27-28]}；759 nm处的光谱峰源于氧气分子电子轨道B³π→A³Σ的电子跃迁^{[23, 28]}。摩擦过程中的气体放电是摩擦副间接触起电的结果。在摩擦过程中，由于摩擦起电会引起电荷在接触表面间的转移，从而一个表面带正电而另一个表面带负电。由于绝缘体Al₂O₃和SiO₂的弱导电性，转移到摩擦表面上的电荷不易消散，接触表面累积的电荷会在接触间隙中形成强电场。在电场的作用下，接触间隙中的电子会加速从带负电表面向带正电表面运动，并与接触间隙中的气体分子发生碰撞。当一个电子与气体分子碰撞，会引起气体分子电离从而额外产生一个自由电子。额外产生的电子在电场中继续被加速，与气体分子碰撞，从而产生更多的电子，称之为雪崩效应。在碰撞电离过程中，气体分子的电子从基态被激发到高能态。当处于激发态的电子从激发态降到较低的能级或返回基态时，就可能会发射出光子，这就是观测到的摩擦发光(见图 5)。很显然，摩擦过程中电子转移越多，接触间隙中电场越强，从而摩擦发光光强就越强。

2.3 晶向改变摩擦发光光强的原因

由于摩擦发光源自摩擦起电引起的气体放电，因此SiO₂晶体不同晶面的摩擦发光强度应该与摩擦起电中的电荷转移情况有关。金属-金属的接触起电过程中，电子是从具有较低费米能级的表面转移到具有较高费米能级的表面，且电子转移量与两材料的功函数之差成正比(功函数等于费米能级和真空能级之间的能量差)^[29-30]。对于绝缘体，研究也发现绝缘体与不同金属摩擦后产生的电量与金属的功函数呈线性关系^[31-32]，这说明金属-绝缘体的接触起电也是电子转移的结果，且在绝缘体的导带能级(E_C)和价带能级(E_V)之间也存在类似金属费米能级的“准费米能级”(Quasi-E_F)以及对应的“有效功函数”(ϕ)。进一步的实验表明，绝缘体-绝缘体之间的接触起电中电子转移量与两绝缘材料的“有效功函数”之差成正比^[31-33]，这说明绝缘体-绝缘体之间接触起电也是电子转移的结果。

实验测量发现，摩擦之后Al₂O₃材料表面带正电而SiO₂材料表面带负电。这与Shen等^[34]的实验和计算一致。Sternovsky^[35]的实验测量得到Al₂O₃的功函数为5.25 eV，而SiO₂的功函数约为5.5 eV。这说明在滑动接触过程中，电子正是从具有较高费米能级的Al₂O₃材料表面转移到了具有较低费米能级的SiO₂材料表面，即从功函数低的材料转移到功函数较高的材料。SiO₂晶体不同晶面与同一种材料表面摩擦时的发光光强不同，说明SiO₂晶体不同晶面具有不同的功函数。研究表明，SiO₂晶体不同晶面族的表面能大小不同，按表面能从小到大依次为{001}、{100}和{110}，其表面能分别为0.193、0.196和0.197 eV/Å^2[36-38]。由于(003)晶面包含于{001}晶面族，(200)晶面包含于{100}晶面族，以及(110)晶面包含于{110}晶面族，实验中3种晶面按表面能从小到大依次为(003)、(200)和(110)。曾祥明等^[39]和Skriver等^[40]通过对多种材料的表面能和功函数进行分析，发现材料表面能越大功函数越小。由此可得出，3种晶面按功函数从小到大依次为(110)、(200)和(003)(见图 6)。由于Al₂O₃的功函数小于SiO₂的功函数，当Al₂O₃功函数保持不变时，两者材料功函数之间的差距会随着SiO₂表面功函数的增大而增大。因此，Al₂O₃与SiO₂(110)晶面的功函数差最小，因而摩擦起电电量最少，而与(003)晶面的功函数差最大，从而摩擦起电电量最大(见图 6)。这就解释了SiO₂不同晶面与Al₂O₃摩擦时摩擦发光强度的不同。

3 结论

为了揭示摩擦发光机理，探索控制摩擦发光强度的有效方法，本文展开了对滑动摩擦过程中SiO₂晶体不同晶面发光特性的研究，得出如下结论：

1) 摩擦发光光强测量结果表明，SiO₂晶体(003)晶面发光最强，其次是(200)晶面，发光最弱的是(110)晶面。该结果说明摩擦发光强度可以通过改变晶体材料的晶向来调控。

2) 摩擦发光光谱测量结果表明，SiO₂晶体所有晶面的发光起源是相同的，都来自于摩擦起电引起的气体放电。

3) 不同晶面摩擦发光强度不同的原因是晶体材料不同晶面的功函数不同。