Loisteaine

Loisteaine on aine, jossa esiintyy luminesenssi-ilmiö. Loisteaineita ovat sekä fosforenssiaineet, joiden valovoima heikkenee hitaasti (> 1 ms), että fluoresenssiaineet, joissa valoemissio vaimenee kymmenissä nanosekunneissa. Fosforenssiaineita käytetään tutkanäytöissä ja pimeässä hohtavissa materiaaleissa, kun taas fluoresenssiaineet ovat yleisiä kuvaputkissa, plasmanäytöissä, loisteputkissa, antureissa ja valkoisissa loistediodeissa. 
Loisteaineet ovat usein siirtymäalkuaineiden tai harvinaisten maametallien yhdisteitä. Niiden yleisimpiä käyttökohteita ovat kuvaputket ja loisteputket. Kuvaputkien loisteaineet standardisoitiin toisen maailmansodan alussa, ja ne merkittiin P-kirjaimella ja sen perässä olevalla luvulla. 
Alkuaine fosfori on saanut nimensä siitä, että vapaana alkuaineena, valkoisena fosforina esiintyessään se säteilee valoa, joka kuitenkin syntyy  Kemiluminesenssilla. Tämän vuoksi fosforia ei lueta loisteaineisiin kuuluvaksi. 
Kiderakenteeltaan epähomogeeniset epäongaaniset loisteaineet tehdään yleensä lisäämällä vähäinen määrä lisäaineita, aktivaattoreiksi kutsuttuja epäpuhtauksia. Epäpuhtauksina voidaan joskus harvoin käyttää dislokaatioita tai muita kidevirheitä. Säteily-ytimen säteilyn aallonpituus riippuu atomista itsestään ja ympäröivästä kiderakenteesta.
Epäorgaanisten aineiden tuikeprosessi johtuu kiteiden sähköisestä vyörakenteesta. Saapuva hiukkanen voi virittää elektronin valenssivyöltä joko johtavuusvyölle tai eksitonivyölle, joka sijaitsee hieman johtavuusvyön alapuolella ja on energia-aukon verran erillään valenssivyöstä. Tämä jättää liittyvän aukon taakseen, valenssivyölle. Epäpuhtaudet luovat sähköisiä tasoja kiellettyyn aukkoon. Eksitonit ovat löyhästi sidoksissa elektroni-aukkopareihin jotka vaeltavat kidehilan läpi kunnes epäpuhtauskeskukset sieppaavat ne kokonaan. Sen jälkeen jälkimmäisen viritystila purkautuu nopeasti, ja se lähettää tuikevaloa (nopean osan). Epäpuhtausaktivaattorit valitaan epäorgaanisten tuikelevyjen tapauksessa yleensä siten, että aineen säteilemä valo on näkyvän valon alueella tai lähellä UV-säteilyä, jolloin valonvahvistimet ovat tehokkaita. Johtavuusvyön elektronien yhdistämät aukot ovat riippumattomia jälkimmäisestä. Epäpuhtauskeskukset, jotka ovat virittyneenä metastabiilissa tilassa eivätkä eksitonien saavutettavissa, sieppaavat nämä aukot ja elektronit peräkkäin. Metastabiilien epäpuhtauksien viivästynyt viritystilan purkautuminen, jonka hidastus johtuu riippuvuudesta matalan todennäköisyyden kiellettyihin mekanismeihin, lähettää taas tuikevaloa (hitaan osan).

Aineet

Loisteaineet valmistetaan yleensä sopivista isäntäaineista lisäämällä aktivaattoria. Parhaan tunnetut tyypit ovat kuparilla aktivoitu sinkkisulfidi ja hopealla aktivoitu sinkkisulfidi.
Isäntäaineet ovat tavallisesti oksideja, nitridejä, oksinitridejä, sulfideja, selenidejä, halideja tai sinkki-, kadmium-, mangaani-, alumiini tai piisilikaatteja tai muiden harvinaisten maametallien silikaatteja. Aktivaattorit pidentävät emissioaikaa eli jälkiloistetta. Muita aineita, kuten nikkeliä, voidaan vuorostaan käyttää jälkihehkun sammuttamiseen ja loisteaineen säteilyn heikkenemisajan lyhentämiseen.
Monet loisteainejauheet valmistetaan matalassa lämpötilassa, kuten sooligeeliprosessilla, ja ne vaativat yleensä jälkihehkutuksen noin tuhannen celsiusasteen lämpötilassa, joka on liian korkea monille käyttökohteille. Sopiva kasvuprosessin optimointi mahdollistaa kuitenkin hehkutuksen välttämisen.
Loisteputkissa käytettävät loisteaineet vaativat monivaiheisen tuotantomenetelmän, jonka yksityiskohdat vaihtelevat loisteaineesta riippuen. Irtoaineet täytyy työstää, jotta saavutetaan haluttu hiukkasten suuruusluokka, koska suurista hiukkasista tulee huonolaatuinen pinnoite putkeen, ja pienet hiukkaset tuottavat vähemmän valoa ja heikkenevät nopeammin. Prosessin olosuhteita pitää säännellä loisteaineen erottamisen aikana, jotta ehkäistään loisteaineen aktivaattoreiden hapettumista ja prosessiastioiden pilaantumista. Loisteaine voidaan pestä työstön jälkeen aktivaattorijäämien poistamiseksi. Haihtuvia aineita ei saa päästää poistumaan työstön aikana. Loisteputkien valmistajat ovat muuttaneet loisteaineiden koostumusta poistaakseen aiemmin käytettyjä myrkillisiä aineita kuten berylliumia, kadmiumia ja talliumia.
Loisteaineiden yleisesti kerrotut ominaisuudet ovat emissiohuipun aallonpituus (nanometreinä, tai vaihtoehtoisesti valkoisten seosten värilämpötilä kelvineinä), huipun leveys (nanometreinä 50% intensiteetillä) ja vaimenemisaika (sekunteina).

Valaistus

Loisteainekerrokset tuottavat suurimman osan loisteputkien tuottamasta valosta, ja niitä käytetään myös tasapainottamaan monimetallilamppujen tuottamaa valoa. Neonkilvissä käytetään loisteainekerroksia tuottamaan erivärisiä valoja. Mm. lentokoneiden kojetauluissa käytettävissä elektroluminesenssinäytöissä käytetään loisteainekerrosta tuottamaan häikäisemätön valaisu tai numeerisina ja graafisina näyttöinä. Valkoisissa loistediodivaloissa on sininen tai ultravioletti säteilijä ja loisteainekerros, joka säteilee pidempiä aallonpituuksia, jolloin saadaan kokonainen näkyvän valon spektri. Keskittämättömiä ja poikkeuttamattomia katodisädeputkia käytettiin stroboskooppivaloina vuodesta 1958 alkaen.

Loisteaineita hyödyntävä lämpötilan mittaus

Loisteaineita hyödyntävässä lämpötilan mittauksessa hyödynnetään tiettyjen loisteaineiden lämpötilariippuvuutta. Tätä varten loisteainepinnoite levitetään tutkittavan kohteen pinnalle, ja emission vaimenemisaika on tavallisesti ominaisuus, joka ilmaisee lämpötilan. Koska valaisulaitteet ja opsiset ilmaisimet voidaan sijoittaa siten, että ne voidaan poistaa, menetelmää voidaan käyttää liikkuvilla pinnoilla kuten suurnopeusmoottoreiden pinnoilla. Loisteainetta voidaan levittää myös valokuidun päähän optiseksi/analogiseksi lämpöpariksi.

Postimerkit

Ensimmäiset loisteaineelliset postimerkit otettiin käyttöön vuonna 1959 postinlajittelukoneiden tunnisteiksi.  Niistä on monia muunnelmia ympäri maailmaa, joissa on eri määriä loisteainetta.  Postimerkkejä kerätään joskus sen mukaan, onko niissä loisteainetunniste tai onko ne tulostettu luminoivalle paperille vai eikö.

Radioluminesenssi

Pääartikkeli: Radioluminesenssi
Sinkkisulfidiloisteaineita on käytetty radioaktiivisten aineiden kanssa, joissa loisteaine viritettiin alfa- ja beetahajoavilla isotoopeilla, jotta saatiin hohtavaa maalia kellotauluihin ja kojeiden säätimiin. Radium-228:a ja Radium-226:tta käytettiin vuosina 1913-1950 aktivoimaan hopealla seostetusta sinkkisulfidista (ZnS:Ag) valmistettuja loisteaineita, jotka loistivat vihertävinä. Loisteaine ei sopi käytettäväksi 25 mg/cm² paksumpina kerroksina, koska muuten valon itseabsorptiosta tulee ongelma. Sinkkisulfidin kidehilan rakenne kuitenkin heikkenee, mikä johtaa kirkkauden vähenemiseen huomattavasti nopeammin kuin radium ehtyy. Ernest Rutherford käytti ZnS:Ag:lla pinnoitettuja spintariskooppien näyttöjä tutkiessaan atomiydintä.
Kuparilla seostettu sinkkisulfidi (ZnS:Cu) on yleisimmin käytetty loisteaine, ja se tuottaa sinivihreää valoa. Kuparilla ja magnesiumilla seostettu sinkkisulfidi (ZnS:Cu,Mg) tuottaa keltaoranssia valoa.
Tritiumia käytetään säteilylähteenä myös monenlaisissa tritiumin valaisua hyödyntävissä tuotteissa.

Elektroluminesenssi

Pääartikkeli: Elektroluminesenssi
Elektroluminesenssia voidaan hyödyntää valonlähteissä. Ne säteilevät yleensä laajalle alueelle, joten ne sopivat nestekidenäyttöjen taustavaloiksi. Loisteaineen viritystila saadaa yleensä aikaan korkean intensiteetin sähkökentän sovelluksella, yleensä soveliaan taajuuden kanssa. Nykyisin elektroluminesenssivalonlähteiden käyttö on vähenemässä, mikä johtuu niiden suhteellisen lyhyistä käyttöi'istä.
ZnS:Cu oli ensimmäinen aine, joka käytti onnistuneesti elektroluminesenssia. Georges Destriau kokeili sitä vuonna 1936 Marie Curien laboratorioissa, Pariisissa.
Jauhe- tai vaihtovirtaelektroluminesenssia käytetään mononissa taustavaloissa ja yövaloissa. Monet yritykset myyvät brändättyjä EL-tuotteita kuten joissakin Timex-kelloissa käytettyä IndiGlota tai "Valoteippiä", joka on toinen tuotenimi elektroluminoivissa valosuikaleissa käytettäville materiaaleille. Apollo-avaruusohjelmalla on annettu tunnustus, että se on ollut ensimmäinen merkityksekäs EL-taustavalojen ja -valaistuksen käyttökohde.

Valkoiset loistediodit

Valkoiset loistediodit ovat yleensä sinisiä indiumgalliumnitridiledejä, jotka on pinnoitettu sopivalla aineella. Usein käytetään Cerium(III):lla seostettua yttriumalumiinigranaattia (YAG:Ce³⁺ tai Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺), joka imee sinisen valon ja säteilee vihertävästä valosta punertavaan, josta suurin osa on keltaista. Tämä keltainen säteily tuottaa yhdessä sinisen säteilyn kanssa valkoista valoa, joka voidaan muokata värilämpötilaltaan lämpimän kellertäväksi tai kylmän sinertäväksi valkoiseksi. Vaaleankeltaista säteilyä voi säätää korvaamalla cerium muilla harvinaisilla maatmetalleilla kuten terbiumilla ja gadoliniumilla, ja sävyä voi muuttaa vielä enemmän korvaamalla YAG:n alumiini galliumilla kokonaan tai osittain. Tässä menetelmässä ei käytetä fosforenssia, vaan keltainen valo tuotetaan tuikemenetelmällä, jossa jälkiloisteen täydellinen puute on eräs menetelmän tunnuspiirre.
Jotkin harvinaisilla maametalleilla seostetut SiAlONit ovat fotoluminoivia, ja niitä voi käyttää loisteaineina. Europium(II):lla seostettu β-SiAlON absorboi UV-valoa ja näkyvää valoa ja emittoi voimakkasta ja laajakaistaista valoa. Sen luminanssi ja väri eivät muutu huomattavasti lämpötilan mukaan, koska sillä on lämpötilastabiili kiderakenne. Sillä on hyvät mahdollisuudet loisteaineen vihreänä muunnoksena valkoisille loistediodeille. On olemassa myös keltainen muunnos (α-SiAlON). Valkoisissa ledeissä käytetään sinistä loistediodia joko keltaisen loisteaineen tai vihreän, ja keltaisen SiAlON-loisteaineen ja punaisen CaAlSiN3-pohjaisen loisteaineen kanssa.
Valkoisia ledejä voi valmistaa myös pinnoittamalla lähes UV-valoa säteilevä loistediodi korkean hyötysuhteen europiumiin pohjautuvalla sinistä ja punaista valoa säteilevillä loisteaineilla ja vihreänä säteilevällä alumiinilla seostetulla sinkkisulfidilla. Tämä menetelmä on vastaava kuin loisteputken toimintatapa.
Joissakin uudemmissa valkoisissa loistediodeissa käytetään keltaista ja sinistä säteilijää sarjassa, jolloin lähestytään valkoista. Tätä tekniikkaa on käytetty joissakin Motorolan puhelimissa kuten BlackBerryssä ja ledivaloissa, ja alkuperäisessä versiossa säteilijät pinottiin käyttäen galliumnitridiä, piikarpidia ja indiumgaliumfosfidia, mutta myöhemmin sen havaittiin murtuvan korkeilla käyttövirroilla.
Monia yleisvalaistuksen valkoisia loistediodeja voi käyttää tiedonvälityksessä, esim. järjestelmissä, jotka muuntavat ledin toimimaan vilkkuvalona.

Kuvaputket

Kuvaputket tuottavat lähetteen synnyttämiä valokuvioita tyypillisesti pyöreässä tai suorakulmaisessa muodossa. Kookkaita kuvaputkia käytettiin mustavalkoisissa kotitelevisioissa, jotka yleistyivät 1950-luvulla, sekä ensimmäisen sukupolven väri-TV:issä ja ensimmäississä tietokonenäytöissä. Niitä käytettiin laajasti myös tieteen ja tekniikan kojeissa, kuten oskilloskoopeissa, yleensä yksivärisen loisteaineen kanssa (yleensä vihreää). Tälläisten käyttökohteiden loisteaineilla on usein pitkä jälkiloiste, joka parantaa kuvan pysyvyyttä.
Loisteaineet voidaan kiinnittää joko ohutkalvolle tai erillisinä hiukkasina, jauhettuna pinnalle. Ohutkalvojen käyttöikä on pidempi ja kuvatarkkuus parempi, mutta niiden kirkkaus on pienempi ja hyötysuhde huonompi kuin jauhemaisilla. Tämä johtuu ohutkalvon useista sisäisistä heijastumisista, jotka siroavat emittoituvaa valoa.
Valkoinen (mustavalkokuvaputkessa): Sinkkikadmiumsulfidin ja sinkkisulfidihopean seos, ZnS:Ag+(Zn,Cd)S:Ag, on valkoinen P4-loisteaine, jota käytetään mustavalkotelevisioiden kuvaputkissa. Keltaisten ja sinisten loisteaineiden seokset ovat tavallisia, mutta myös punaisen, vihreän ja sinisen seosta tai pelkkää valkoista voidaan käyttää.
Punainen: Yttriumoksidisulfidia yhdessä europium-aktivaattorin kanssa käytetään punaisena loisteaineena värillisissä kuvaputkissa. Väri-TV:n kehityksessä meni pitkään punaisen loisteaineen etsimisen vuoksi. Ensimmäinen punaisena säteilevä, harvinaisista maametalleista valmistettu loisteaine, YVO4:Eu3+, tuli markkinoille väritelevisioiden pääväriksi vuonna 1964, ja sen kehittivät Levine ja Palilla.Sitä käytettiin yhden kiteen muodossa erinomaisena polarisaattorina ja laseraineena.
Keltainen: Sinkkikadmiumsulfidi, (Zn,Cd)S:Ag, tuottaa vahvankeltaista valoa, kun sitä sekoitetaan kadmiumsulfidiin.
Vihreä: Sinkkisulfidin ja kuparin yhdistelmä ZnS:Cu eli P31-loisteaine tuottaa vihreää valoa, jonka huippu on 531 nm ja jälkiloiste pitkä.
Sininen: Kun sinkkisulfidiin lisätään muutama miljoonasosa hopeaa (ZnS:Ag), ja sitä viritetään elektroneilla, se tuottaa sinisen loisteen, jonka huippu on 450 nm, ja sillä on pitkä 200 nanosekunnin jälkihehku. Se tunnetaan P22B-loisteaineena. Sinkkisulfidihopea on yhä yksi hyötysuhteeltaan parhaista kuvaputkien loisteaineista, joissa sitä käytetään sinisenä loisteaineena.
Loisteaineet ovat yleensä huonoja sähkönjohteita. Tällöin ruudulle voi varastoitua jäännösvarausta, joka kasvattaa tehokkaasti törmäävien elektronien energiaa sähköstaattisesta hylkimisestä johtuen. Ongelman poistamiseksi loisteaineiden ylle voidaan laittaa ohut alumiinikerros (noin 100 nm). Se tehdään yleensä tyhjiöhaihdutuksella ja yhdistetään johtavaan kerrokseen putken sisällä. Lisäksi kerros heijastaa loisteaineen valoa haluttuun suuntaan ja suojaa loisteainetta epätäydellisen tyhjiön aiheuttamalta ionipommituksella.
Sävykkyyttä voi kasvattaa monin tavoin ympäristön valon aiheuttaman kuvan heikkenemisen vähentämiseksi. Sen lisäksi, että ruudun käyttämättömillä alueilla on musta maski, värinäyttöjen loisteaineen hiukkaset on pinnoitettu sopivanvärisillä väriaineilla. Esimerkiksi punaiset loisteaineet pinnoitetaan rauta(III)oksidilla (korvasi entisen Cd(s,Se):n kadmiumin myrkyllisyyden vuoksi), ja siniset loisteaineet voidaan pinnoittaa merensinisellä CoO·nAl₂O₃:lla tai ultramariinilla (Na₈Al₆Si₆O₂₄S₂). ZnS:Cu:iin pohjautuvia vihreitä loisteaineita ei ole pinnoitettu kellertävän värinsä vuoksi.

Mustavalkotelevisioiden kuvaputket

Mustavalkotelevisioissa tarvitaan loisteainetta, jonka säteilemä valo on lähellä valkoista. Yleensä käytetään loisteaineiden seoksia.
Yleisin seos on ZnS:Ag+(Zn,Cd)S:Cu,Al, jossa on sinistö ja keltaista. ZnS:Ag+(Zn,Cd)S:Ag:ssä on myös sinistä ja keltaista loisteainetta ja ZnS:Ag+ZnS:Cu,Al+Y₂O₂S:Eu³⁺:ssa sinistä, vihreää ja punaista (ei sisällä kadmiumia ja hyötysuhteeltaan huono). Värisävyn voi asettaa komponenttien suhdelukujen avulla.
Koska seoksissa on eri loisteaineiden erillisiä hiukkasia, niiden tuottava kuva ei ole aina sulavaa. Yksittäinen valkoisena säteilevä loisteaine (Zn,Cd)S:Ag,Au,Al selviytyy tästä ongelmasta. Sitä käytetään vain todella pienissä ruuduissa, koska sen hyötysuhde on huono.
Ruudut päällystetään loisteaineella yleensä sedimentointipinnoitusta käyttäen, jossa hiukkasten annetaan asettua pinnalle ratkaisusta riippuen.

Värilliset kuvaputket suppeilla sävyillä

On muutama vaihtoehto näyttää värikuvaa suppeilla värisävyillä.
Penetron-putkissa on erivärisiä loisteaineita, jotka on kerrostettu ja erotettu toisistaan eristeellä. Elektronien energiaan vaikuttamiseksi käytetään kiihdytysjännitettä. Matalaenergiset elektronit absorboituvat ylimmän kerroksen loisteaineeseen, ja korkeampienergiset menevät läpi ja absorboituvat alempiin kerroksiin. Tällöin näkyy joko ensimmäinen väri tai ensimmäisen ja toisen värin sekoitus. Näytön, jossa on punaisen ulompi kerros ja vihreä sisempi kerros, kiihdytysjännitteen muuttamisella voidaan tuottaa värit punaisesta oranssin ja keltaisen kautta vihreään.
Toinen tapa on käyttää kahden erilaisen loisteaineen seosta. Toisen kirkkaus on suoraan verrannollinen elektronin vuohon, kun taas toisen kirkkaus kyllästyy korkeammissa voissa, jolloin loisteaine ei säteile yhtään enempää valoa riippumatta siihen törmäävien elektronien määrästä. Molemmat loisteaineet emittoivat yhdessä matalissa voissa, kun taas korkeammissa voissa kyllästymättömän loisteaineen kirkkaus alkaa hallita, jolloin väriyhdistelmä muuttuu.
Tällaisten näyttöjen kuvatarkkuus voi olla korkea, koska niissä ei ole kaksiulotteista rakennetta kuten monivärikuvaputken loisteaineissa. Niiden sävyt ovat kuitenkin hyvin rajalliset. Niitä käytettiin mm. joissakin vanhoissa sotilastutkanäytöissä

Projektiotelevisiot

Projektiotelevisioissa, joiden säteiden tehotiheys voi olla kaksi suuruusluokkaa suurempi kuin tavallisissa kuvaputkissa, on käytetty joitakin erilaisia loisteaineita.
Sinisenä värinä käytettiin ZnS:Ag,Cl:ää, joka kuitenkin kyllästyy. (La,Gd)OBr:Ce,Tb3⁺:aa voidaan käyttää vaihtoehtona, joka on suuraviivaisempi suurissa energiatiheyksissä.
Vihreänä käyteään Gd₂O₂Tb³⁺:aa terbium-aktivaattorilla. Sen väripuhtaus ja kirkkaus on sinkkisulfidia huonompia alhaisilla viritystiheyksillä, mutta se käyttäytyy suoraviivaisesti korkeissa viritysenergiatiheyksissä, kun taas sinkkisulfidi kyllästyy. Sekin kuitenkin kyllästyy, joten sitä voidaan korvata osin Y₃Al₅O₁₂:Tb³⁺:lla tai Y₂SiO₅:Tb³⁺:lla. LaOBr:Tb³⁺ on kirkasta mutta vedelle altista, heikkenemiseen taipuvaista ja sen kiteiden esteiden rakenne on levymäinen. Nämä ongelmat on ratkaistu, joten sen käyttö kasvaa aineen korkeamman lineaarisuuden vuoksi.
Punaisena loisteaineena käytetään Y₂O₂S:Eu³⁺:aa.