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光致发光是指物体依赖外界光源进行照射,从而获得能量,产生激发导致发光的现象,今天的光学课堂为大家带来的是关于光致发光的内容,有兴趣的朋友们可以看看!
光致发光是冷发光的一种,指物质吸收光子(或电磁波)后重新辐射出光子(或电磁波)的过程。它大致经过吸收、能量传递及光发射三个主要阶段,光的吸收及发射都发生于能级之间的跃迁,都经过激发态。而能量传递则是由于激发态的运动。紫外辐射、可见光及红外辐射均可引起光致发光。如磷光与荧光。
如何产生
激发态的分布按能量的高低可以分为三个区域。低于禁带宽度的激发态主要是分立中心的激发态。关于这些激发态能谱项及其性质的研究,涉及到杂质中心与点阵的相互作用,可利用晶体场理论进行分析。
随着这一相互作用的加强,吸收及发射谱带都由窄变宽,温度效应也由弱变强,特别是猝灭现象变强,使一部分激发能变为点阵振动。在相互作用较强的情况下,激发态或基态都只能表示中心及点阵作为一个统一系统的状态。通常用位形坐标曲线表示。电子跃迁一般都在曲线的极小值附近发生。
但是,近年关于过热发光的研究,证明发光也可以从比较高的振动能级起始,这在分时光谱中可得到直观的图像,反映出参与跃迁的声子结构。
接近禁带宽度的激发态是比较丰富的,包括自由激子、束缚激子及施主-受主对等。当激发密度很高时,还可出现激子分子,而在间接带隙半导体内甚至观察到电子-空穴液滴。激子又可以和能量相近的光子耦合在一起,形成电磁激子(excitonic polariton)。
束缚激子的发光是常见的现象,它在束缚能上的微小差异常被用来反映束缚中心的特征。在有机分子晶体中,最低的电子激发态是三重激子态,而单态激子的能量几乎是三重态激子能量的两倍。分子晶体中的分子由于近邻同类分子的存在,会出现两种效应:“红移”(约几百cm)及“达维多夫劈裂”。这两种效应对单态的影响都大于对三重态的影响。
能量更高的激发态是导带中的电子,包括热载流子所处的状态。后者是在能量较高的光学激发下。载流子被激发到高出在导带(或价带)中热平衡态的情况,通常可用电子(或空穴)温度(不同于点阵温度)描述它们的分布。
实验证明,热载流子不需要和点阵充分交换能量直至达到和点阵处于热平衡的状态即可复合发光,尽管它的复合截面较后者小。热载流子也可在导带(或价带)内部向低能跃迁。这类发光可以反映能带结构及有关性质。
激发态的运动是发光中的重要过程,能量传递是它的一个重要途径。分子之间的能量传递几率很大,处于激发态的分子被看作是激子态。无机材料中的能量传递也非常重要,在技术上已得到应用。无辐射跃迁是激发态弛豫中的另一重要途径。对发光效率有决定性的影响。

实际应用

光致发光最普遍的应用为日光灯。它是灯管内气体放电产生的紫外线激发管壁上的发光粉而发出可见光的。
其效率约为白炽灯的5倍。此外,“黑光灯”及其他单色灯的光致发光广泛地用于印刷、复制、医疗、植物生长、诱虫及装饰等技术中。上转换材料则可将红外光转换为可见光,可用于探测红外线,例如红外激光的光场等。
光致发光可以提供有关材料的结构、成分及环境原子排列的信息,是一种非破坏性的、灵敏度高的分析方法。激光的应用更使这类分析方法深入到微区、选择激发及瞬态过程的领域,使它又进一步成为重要的研究手段,应用到物理学、材料科学、化学及分子生物学等领域,逐步出现新的边缘学科。
光致发光是一种探测材料电子结构的方法,它与材料无接触且不损坏材料。光直接照射到材料上,被材料吸收并将多余能量传递给材料,这个过程叫做光激发。
这些多余的能量可以通过发光的形式消耗掉。由于光激发而发光的过程叫做光致发光。光致发光的光谱结构和光强是测量许多重要材料的直接手段。
光激发导致材料内部的电子跃迁到允许的激发态。当这些电子回到他们的热平衡态时,多余的能量可以通过发光过程和非辐射过程释放。
光致发光辐射光的能量是与两个电子态间不同的能级差相联系的,这其中涉及到了激发态与平衡态之间的跃迁。激发光的数量是与辐射过程的贡献相联系的。
光致发光可以应用于:带隙检测,杂质等级和缺陷检测,复合机制以及材料品质鉴定。
材料分类
光的吸收和发射均发生在能级之间的跃迁过程中,都经历激发态,而能量传递则是由于激发态运动。激发光辐射的能量可直接被发光中心(激活剂或杂质)吸收,也可能被发光材料的基质吸收。在第一种情况下,发光中心吸收能量向较高能级跃迁,随后跃迁回到较低的能级或基态能级而产生发光。
在第二种情况下,基质吸收光能,在基质中形成电子一空穴对,它们可能在晶体中运动,被束缚在发光中心上,发光是由于电子一空穴的复合而引起的。当发光中心离子处于基质的能带中时,会形成一个局域能级,处在基质导带和价带之间,即位于基质的禁带中。
对于不同的基质结构,发光中心离子在禁带中形成的局域能级的位置不同,从而在光激发下,会产生不同的跃迁,导致不同的发光色。光致发光材料分为荧光灯用发光材料、等离子体显示平板( PDP)用发光材料、长余辉发光材料和上转换发光材料。

荧光粉材料

发光二极管( LED)是固体光源,具有节能、环保、全固体化、寿命长等优点,是21世纪人类解决能源危机的重要途径之一。白光LED以其省电(为白炽灯的1/8,荧光灯的1/2)、体积小、发热量低、可低压或低电流起动、寿命长(120000h以上)、响应快、抗震耐冲、可回收、无污染、可平面封装、易开发成轻薄短小产品等优点得到了迅猛的发展。白光LED广泛应用于城市景观照明、液晶显示背光源、室内外普通照明等多种照明领域,被认为是替代白炽灯、荧光灯的新一代绿色照明光源。
1,获取白光LED的方法
获取白光LED的主要途径有以下三种。①利用三基色原理和已能生产的红、绿、蓝三种超高亮度的LED,按光强1:2:0.38的比例混合而成白色。但由于LED器件光输出会随温度升高而下降,不同的LED下降程度差别较大,结果造成混合白光的色差,限制了用三基色LED芯片组装实现白光的应用。②蓝色LED芯片与可被蓝光有效激发的发黄光荧光粉结合,组成白光;这时LED用荧光粉吸收一部分蓝光,受激发后发射黄光,发射的黄光与剩余的蓝光混合,通过调控二者的强度比后,可以获得各种色温的白光。③采用发紫外光的LED芯片和可被紫外光有效激发而发射红、绿、蓝三基色的荧光粉,产生多色混合组成白光LED。此外,也可选用两基色、四基色,甚至五基色荧光粉来获得白光。
荧光粉性能的好坏直接影响白光LED的性能。制备白光发光二极管大多离不开稀土荧光粉,主要有黄色荧光粉和三基色荧光粉等。因此获得化学性质稳定和性能优异的荧光粉是实现白光LED的关键。
2,LED用黄色荧光粉
蓝色LED芯片和一种或多种能被蓝光有效激发的荧光粉有机结合可组成白色LED。其中发展最成熟的是蓝色LED与黄色荧光粉的组合,一部分蓝光被荧光粉吸收后,激发荧光粉发射黄光,发射的黄光和剩余的蓝光混合,调控它们的强度比,即可得到各种色温的白光。这种方法驱动电路设计简易、生产容易、耗电量低。
当今使用最多的是InGaN蓝光LED,发射峰值450~480nm,采用蓝光LED激发黄光荧光粉获得白光。荧光粉使用的是三价铈激活的稀土石榴石体系(YAG)荧光粉,它的吸收和激发光谱与InGaN芯片的蓝色发光光谱匹配较佳,发射光谱覆盖绿一黄(橙黄光)的光谱范围,缺少红色成分,色调偏冷,不能达到室内照明的要求。为解决这一问题,可以在YAG黄色荧光粉中掺入适量的红色荧光粉。

长余辉发光材料

长余辉发光材料是在自然光或人造光源照射下能够存储外界光辐照的能量,然后在某一温度下(指室温),缓慢地以可见光的形式释放,是一种存储能量的光致发光材料。长余辉发光材料称做蓄光材料或夜光材料。长余辉发光材料在弱光显示、照明、特殊环境(交通、航天、航海、印染、纺织、艺术品等)等方面有重要的应用。
稀土离子掺杂的碱土铝(硅)酸盐长余辉材料已进入实用阶段。市场上可见的产品除了初级的荧光粉外,主要有夜光标牌、夜光油漆、夜光塑料、夜光胶带、夜光陶瓷、夜光纤维等,主要用于暗环境下的弱光指示照明和工艺美术品等。
长余辉材料的形态已从粉末扩展至玻璃、单晶、薄膜和玻璃陶瓷;对长余辉材料应用的要求也从弱光照明、指示等扩展到信息存储、高能射线探测等领域。
长余辉发光材料属于电子俘获材料,其发光现象是由材料中的陷阱能级所致。由于能级结构的复杂性以及受测试分析手段所限,长余辉材料的发光机理还没有十分清晰、统一的理论模型。比较典型的理论模型有空穴模型、电子陷阱模型和位型坐标模型等三种,其中位型坐标模型是得到较多认可的。

上转换发光材料

上转换发光材料是一种吸收低能光辐射,发射高能光辐射的发光材料。上转移发光,是指两个或两个以上低能光子转换成一个高能光子的现象。
上转换发光材料的发光机理是由于双光子或多光子的耦合作用;其特点是所吸收的光子能量低于所发射的光子能量,这种现象违背斯托克斯(Stokes)定律,因此这类材料又称为反斯托克斯发光材料。
在一些文献中上转换发光材料特指将红外光转换成可见光的材料。
上转换主要的应用领域有全固态紧凑型激光器件(紫、蓝、绿区域)、上转换荧光粉、三维立体显示、红外量子计数器、温度探测器、生物分子的荧光探针、光学存储材料等。
自20世纪60年代发现上转换发光材料以来,人们对上转换发光进行了广泛的研究。90年代后,随着应用领域的拓宽,上转换发光的研究又重新活跃起来;特别是纳米微粒的上转换发光的研究,引起了世界各国的高度重视。
国内外研究方向主要集中在以氧化钇为发光基质材料,掺杂稀土金属镱、铒等离子的纳米微粒材料的制备方法以及其发光机制、发光效率改进等方面。
光致发光光谱
光致发光光谱(Photoluminescence Spectroscopy,简称PL谱),指物质在光的激励下,电子从价带跃迁至导带并在价带留下空穴;电子和空穴在各自的导带和价带中通过弛豫达到各自未被占据的最低激发态(在本征半导体中即导带底和价带顶),成为准平衡态;准平衡态下的电子和空穴再通过复合发光,形成不同波长光的强度或能量分布的光谱图。光致发光过程包括荧光发光和磷光发光。

光谱应用

在激发光能量不是非常大的情况下,PL测试是一种无损的测试方法,可以快速、便捷地表征半导体材料的缺陷、杂质以及材料的发光性能。
1、组分测定;对三元系或四元系合金,如InxGa1-xN等,通过PL峰位确定半导体材料的禁带宽度,进而确定材料组分x;
2、杂质识别;通过光谱中的特征谱线位置,可以识别材料中的杂质元素;
3、杂质浓度测定;
4、变温Pl可以测试材料/器件的发光效率;
5、半导体材料的少数载流子寿命;
6、位错等缺陷的相关作用研究。