文档介绍：发光的相关概念和过程
光致发光原理
光致发光材料的常见应用
光致发光材料主要特性测量
发光的相关概念和过程
发光就是物质内部以某种方式吸收能量以后,以热辐射以外的光辐射形式发射出多余的能量的过程。
光致发光(Photoluminescence)是用光激发发光材料引起的发光现象。
固体吸收外界能量后很多情形是转变为热,并非在任何情况下都能发光,只有当固体中存在发光中心时才能有效地发光。发光中心通常是由杂质离子或晶格缺陷构成。发光中心吸收外界能量后从基态激发到激发态,当从激发态回到基态时就以发光形式释放出能量。
发光材料通常是以纯物质作为主体,称为基质,再掺入少量杂质,以形成发光中心,这种少量杂质称为激活剂。激活剂是对基质起激活作用,从而使原来不发光或发光很弱的基质材料产生较强发光的杂质。
有时激活剂本身就是发光中心,有时激活剂与周围离子或晶格缺陷组成发光中心。为提高发光效率,还掺入别的杂质,称为协同激活剂,它与激活剂一起构成复杂的激活系统。
激活剂原子作为杂质存在于基质的晶格中时,与半导体中的杂质一样,在禁带中产生局域能级(即杂质能级) ;固体发光的两个基本过程激发与发光直接涉及这些局域能级间的跃迁。
光致发光原理:位形坐标模(Configurational Coordinate M)
晶体中的离子其吸收光谱与发射光谱与自由离子不同。自由离子的吸收光谱与发射光谱的能量相同,并且都是窄带谱或锐线谱(-1)。而晶体中离子的发射光谱的能量均低于吸收光谱的能量,并且是宽带谱。这是由于晶格振动对离子的影响所致。与发光中心相联系的电子跃迁可以和基质晶体中的原子(离子)交换能量,发光中心离子与周围晶格离子之间的相对位置、振动频率以及中心离子的能级受到晶体势场影响等。因此,应当把激活剂离子及其周围晶格离子看作一个整体来考虑。相对来说,由于原子质量比电子大得多,运动也慢得多,故在电子跃迁中,可以认为晶体中原子间的相对位置和运动速率是恒定不变的(即弗兰克-康登原理 Franke-Condon)。这样,就可以采用一种所谓的位形坐标来讨论发光中心的吸收和发射过程。
固体物理实验方法
光致发光材料性能测量方法
所谓位形坐标图,就是用纵坐标表示晶体中发光中心的势能,其中包括电子和离子的势能以及相互作用在内的整个体系的能量;横坐标则表示中心离子和周围离子的位形(Configration),其中包括离子之间相对位置等因素在内的一个笼统的位置概念。一般的也可代用粒子间核间距作横坐标。图1是发光中心基态的位形坐标示意图。图中连续的曲线表示势能作为发光中心离子核间距函数的定量变化关系,它在平衡距离re处有一个极小值,水平线ν0、ν1、ν2……表示粒子在基态具有的不同量子振动态。
图1 发光中心基态的势能图
图2给出了基态和激发态的位形示意图,由此可以解释发光的许多特性。激活过程包括电子从基态能级A跃迁到激发态的较高能级B产生一个活性中心。依照弗兰克-康登原理,这个过程体系能量从A垂直上升到B,而离子的位形基本不变。但在激发态,由于离子松弛(即位形改变),电子以热能形式散射一部分能量返到新激发态能级C形成新的活性中心。那么,发光过程就是电子从活化中心C回到原来基态A或D。显然,激活过程能量ΔEAB>ΔECA或ΔECD。这就解释了斯托克位移。
图2 发光中心基态和激发态的势能图
应用之一:解释斯托克位移
应用之二:解释发光“热淬灭”效应
任何发光材料,当温度升高到一定温度时,发光强度会显著降低。这就是所谓的发光“热淬灭”效应(Thermal quenching effect)。利用图2可以解释这一现象。在图2中,基态和激发态的势能曲线交叉于E点。在该点,激发态的离子在能量不改变的情况下就可以回到基态(E也是基态势能曲线上的一点),然后再通过一系列的改变振动回到基态的低能级上去。因此,E点代表一个“溢出点”(Spillorer Point)。如果处于激发态的离子能获得足够的振动能而达到E点,它就溢出了基态的振动能级。如果这样,全部能量就都以振动能的形式释放出来,因而没有发光产生。显然,E点的能量是临界的。一般说来,温度升高,离子热能增大,依次进入较高振动能级,就可能达到E点。
图2 发光中心基态和激发态的势能图
另外,在吸收了光以后,离子晶格有一定弛豫,故平衡位置re只有统计平均的意义,实际上是一个极小的区间,因此吸收光谱就包括许多频率(或波长)而形成宽带。这就是固体中离子光谱呈带状的原因。
在上述热淬灭现象的那种情况中,激发离子通过把振动能传递给环境——基质晶格,而失掉了其剩余的能量,返回到较低的能级上。这种跃迁过程不发射电磁波,即光,因而称为非辐射跃迁(nonrediative transition).
类似这种非辐射跃迁