1发光材料的基础知识
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第1章 发光材料的基础知识
1.1 发光基础 概念 1.2 发光材料的主要特性与规律 1.3 能量的传递和输运 1.4 光与颜色
1.1 发光基础概念
1.1.1 光与电磁波辐射
光的本质：电磁波
图1-1 电磁波频谱
紫外辐射（ultraviolet）10nm-380 nm
光
可见 (visible) 380nm-780 nm
发光材料定义:发光体，是一种能够把从外界吸收的各种形 式的能量转换为非平衡光辐射的功能材料。
发光材料组成： 基质：发光材料中的主体物质
激活剂（发光中心）：掺入的 杂质，决定材料的发光性能
荧光粉：一定的激发条件Байду номын сангаас能发光的无机粉末材料，一般指的 是粉末晶体，也称为磷光体（phosphors),含有稀土离子的则成 为稀土荧光粉.
激活离子的选择条件：具有未充满轨道；与基质中被取代离子半径相近。
绿：激活元素 黄：等离子体元素（电压的作用下发生气体放电） 蓝紫：基质元素
图1-5“发光元素周期表”
1.1.4 发光材料分类：
按被激发的 方式可分为
光致发光(photoluminescence，通常为紫外线) 电致发光（elctroluminescence,电压 ) 阴极射线发光（cathodoluminescence，电子束） X射线及高能粒子发光（x-ray luminescence)） 机械发光（triboluminescence，如球磨） 化学发光(chemiluminescence化学反应产生的能量）
作为基质化合物至少应具备如下基本条件：
1. 基质组成中阳离子应具有惰性气体元素电子构型，或具有闭壳层电子结构 2. 阳离子和阴离子都必须是光学透明的； 3. 晶体应具有确定的某种缺陷。
已用作基质的无机化合物主要有： 1. 氧化物及复合氧化物，如Y2O3，Gd2O3，Y3AI5O12(YAG)，SrTiO3等； 2. 含氧酸盐，如硼酸盐，铝酸盐，镓酸盐，硅酸盐，磷酸盐，钒酸盐，钼酸盐和 钨酸盐以及卤磷酸盐等。 3.稀土卤氧化物（如LaOCl，LaOBr），稀土硫氧化物（如Y2O2S，Gd2O2S）等
（2） 当外界激发源对材料的作用停止后，发光还会持续一段 时间，这是固体发光与其它光发射现象的根本区别。
发光是一种宏观现象，但它和晶体内部的缺陷结构、能带结构、 能量传递、载流子迁移等微观性质和过程密切相关。
基态：能量最低的平衡状态
激发态：原子或分子吸收一 定的能量后，电子被激发到 较高能级但尚未电离的状态
(3) 实用材料：荧光灯用红粉Y2O3:Eu3+ 、 绿粉 CeMgAl11O19:Tb3+ 、蓝粉BaMgAl10O17:Eu2+；LED用(Y1aGda)3(Al1-bGab)5O12:Ce3+ ；PDP用 ZnSiO4：Mn2+ 等。
E = hν = hc/λ
1240
E (eV) = (nm) = 1.24 × 10-4 × w (cm-1)
w (cm-1) =
10 7
(nm) = 8064.5×E (eV)
1.1.2 发光
发 光 =明 亮(?) 白炽灯---钨丝通电加热到2000 ℃左右产生---热辐射。
热辐射:是一种普遍现象，与物体受热后有较高的温度有关，是固体晶
卤粉Ca5(PO4)3F:Sb3+, Mn2+
1.1.3发光材料
1 发光材料简介：
（1） 自然界中的发光材料 （2 ） 17世纪开始，发光现象称为实验科学的研究对象 （3 ） 1852年，光致发光第一个规律-Stocks定律提出 （4） 1867年，红宝石的光谱特性 （5） 1878年，阴极射线发光的研究 （6） 19世纪末20世纪初，X射线和核辐射的发现 （7） 1905年，爱因斯坦用光子的概念揭示Stocks规律的意义 （8 ）1913年，波尔提出原子结构的量子理论-发光学的理论基础 （9） X射线激发的CaWO4医用照相，寻找钨矿，以及其它类 发光材料在显示、照明等方面的广泛医用
光材料所发的光是典型的磷光。曾将激发停止后持续时间大于10-8秒 的发光叫做磷光，现在对荧光和磷光不做严格的区别。
注意：1 发光是由发光物质的电子在不同能级间跃迁产生的。 2 发光过程仅伴有极少量的热辐射。3非平衡热辐射还有发射和散射等
固体发光的两个基本特征: （1） 任何物体在一定温度下都具有平衡热辐射，而发光是指 吸收外来能量后，发出的总辐射中超出平衡热辐射的部分；
。
激活剂
激活剂：激活剂掺入到基质中后以离子形式占据晶体中某种阳离子格位构 成发光中心，因此激活离子又被称作发光中心离子。激活离子的电子跃迁是 产生发光的根本原因。
激活离子在基质中能够产生电子跃迁实现发光，须遵循一定选择定则。主 要有：拉鲍特定则（LaPorte’s Rule，亦称宇称选择定则：在中心对称环境 中，跃迁仅允许发生在相反宇称状态之间，否则是禁戒的）和自旋选择定则 （Spin selection Rule：跃迁仅允许发生在相同自旋多重态之间 ）。
生物发光(bioluminescence ) 声发光 (sonoluminescence ) 热释发光 (thermoluminescence ) 放射线发光 (radioluminescence )
1 光致发光
(1) 定义：用紫外线、可见光或红外线激发材料而产生的发光现象。
(2) 材料分类：荧光灯用发光材料、LED发光材料、PDP(Plasma Display Panel)用发光材料、长余辉发光材料和上转换发光材料。
红外辐射 (infrared)〕 780 nm-1 mm
光色 波长
表 1 -1各种可见光色对应的真空中的光波波长（nm）
紫光 蓝光 天蓝 绿光 黄绿 黄光 橙光 红光
380- 420- 490- 500- 550- 570- 590- 620420 490 500 550 570 590 620 760
格在高温下剧烈振动产生的 ，是一种热平衡状态的辐射。
发光的定义：发光就是物质在热辐射之外，体系受外界的激发，偏离
原来的平衡态，在回复到平衡态的过程中，以光的形式发射出多余的能 量，而这种多余能量的发射过程具有一定的持续时间。发光是一种非平 衡辐射。
荧光和磷光:一般将激发停止后仍然发出的光称作磷光，如长余辉发
1.1 发光基础 概念 1.2 发光材料的主要特性与规律 1.3 能量的传递和输运 1.4 光与颜色
1.1 发光基础概念
1.1.1 光与电磁波辐射
光的本质：电磁波
图1-1 电磁波频谱
紫外辐射（ultraviolet）10nm-380 nm
光
可见 (visible) 380nm-780 nm
发光材料定义:发光体，是一种能够把从外界吸收的各种形 式的能量转换为非平衡光辐射的功能材料。
发光材料组成： 基质：发光材料中的主体物质
激活剂（发光中心）：掺入的 杂质，决定材料的发光性能
荧光粉：一定的激发条件Байду номын сангаас能发光的无机粉末材料，一般指的 是粉末晶体，也称为磷光体（phosphors),含有稀土离子的则成 为稀土荧光粉.
激活离子的选择条件：具有未充满轨道；与基质中被取代离子半径相近。
绿：激活元素 黄：等离子体元素（电压的作用下发生气体放电） 蓝紫：基质元素
图1-5“发光元素周期表”
1.1.4 发光材料分类：
按被激发的 方式可分为
光致发光(photoluminescence，通常为紫外线) 电致发光（elctroluminescence,电压 ) 阴极射线发光（cathodoluminescence，电子束） X射线及高能粒子发光（x-ray luminescence)） 机械发光（triboluminescence，如球磨） 化学发光(chemiluminescence化学反应产生的能量）
作为基质化合物至少应具备如下基本条件：
1. 基质组成中阳离子应具有惰性气体元素电子构型，或具有闭壳层电子结构 2. 阳离子和阴离子都必须是光学透明的； 3. 晶体应具有确定的某种缺陷。
已用作基质的无机化合物主要有： 1. 氧化物及复合氧化物，如Y2O3，Gd2O3，Y3AI5O12(YAG)，SrTiO3等； 2. 含氧酸盐，如硼酸盐，铝酸盐，镓酸盐，硅酸盐，磷酸盐，钒酸盐，钼酸盐和 钨酸盐以及卤磷酸盐等。 3.稀土卤氧化物（如LaOCl，LaOBr），稀土硫氧化物（如Y2O2S，Gd2O2S）等
（2） 当外界激发源对材料的作用停止后，发光还会持续一段 时间，这是固体发光与其它光发射现象的根本区别。
发光是一种宏观现象，但它和晶体内部的缺陷结构、能带结构、 能量传递、载流子迁移等微观性质和过程密切相关。
基态：能量最低的平衡状态
激发态：原子或分子吸收一 定的能量后，电子被激发到 较高能级但尚未电离的状态
(3) 实用材料：荧光灯用红粉Y2O3:Eu3+ 、 绿粉 CeMgAl11O19:Tb3+ 、蓝粉BaMgAl10O17:Eu2+；LED用(Y1aGda)3(Al1-bGab)5O12:Ce3+ ；PDP用 ZnSiO4：Mn2+ 等。
E = hν = hc/λ
1240
E (eV) = (nm) = 1.24 × 10-4 × w (cm-1)
w (cm-1) =
10 7
(nm) = 8064.5×E (eV)
1.1.2 发光
发 光 =明 亮(?) 白炽灯---钨丝通电加热到2000 ℃左右产生---热辐射。
热辐射:是一种普遍现象，与物体受热后有较高的温度有关，是固体晶
卤粉Ca5(PO4)3F:Sb3+, Mn2+
1.1.3发光材料
1 发光材料简介：
（1） 自然界中的发光材料 （2 ） 17世纪开始，发光现象称为实验科学的研究对象 （3 ） 1852年，光致发光第一个规律-Stocks定律提出 （4） 1867年，红宝石的光谱特性 （5） 1878年，阴极射线发光的研究 （6） 19世纪末20世纪初，X射线和核辐射的发现 （7） 1905年，爱因斯坦用光子的概念揭示Stocks规律的意义 （8 ）1913年，波尔提出原子结构的量子理论-发光学的理论基础 （9） X射线激发的CaWO4医用照相，寻找钨矿，以及其它类 发光材料在显示、照明等方面的广泛医用
光材料所发的光是典型的磷光。曾将激发停止后持续时间大于10-8秒 的发光叫做磷光，现在对荧光和磷光不做严格的区别。
注意：1 发光是由发光物质的电子在不同能级间跃迁产生的。 2 发光过程仅伴有极少量的热辐射。3非平衡热辐射还有发射和散射等
固体发光的两个基本特征: （1） 任何物体在一定温度下都具有平衡热辐射，而发光是指 吸收外来能量后，发出的总辐射中超出平衡热辐射的部分；
。
激活剂
激活剂：激活剂掺入到基质中后以离子形式占据晶体中某种阳离子格位构 成发光中心，因此激活离子又被称作发光中心离子。激活离子的电子跃迁是 产生发光的根本原因。
激活离子在基质中能够产生电子跃迁实现发光，须遵循一定选择定则。主 要有：拉鲍特定则（LaPorte’s Rule，亦称宇称选择定则：在中心对称环境 中，跃迁仅允许发生在相反宇称状态之间，否则是禁戒的）和自旋选择定则 （Spin selection Rule：跃迁仅允许发生在相同自旋多重态之间 ）。
生物发光(bioluminescence ) 声发光 (sonoluminescence ) 热释发光 (thermoluminescence ) 放射线发光 (radioluminescence )
1 光致发光
(1) 定义：用紫外线、可见光或红外线激发材料而产生的发光现象。
(2) 材料分类：荧光灯用发光材料、LED发光材料、PDP(Plasma Display Panel)用发光材料、长余辉发光材料和上转换发光材料。
红外辐射 (infrared)〕 780 nm-1 mm
光色 波长
表 1 -1各种可见光色对应的真空中的光波波长（nm）
紫光 蓝光 天蓝 绿光 黄绿 黄光 橙光 红光
380- 420- 490- 500- 550- 570- 590- 620420 490 500 550 570 590 620 760
格在高温下剧烈振动产生的 ，是一种热平衡状态的辐射。
发光的定义：发光就是物质在热辐射之外，体系受外界的激发，偏离
原来的平衡态，在回复到平衡态的过程中，以光的形式发射出多余的能 量，而这种多余能量的发射过程具有一定的持续时间。发光是一种非平 衡辐射。
荧光和磷光:一般将激发停止后仍然发出的光称作磷光，如长余辉发