第七讲 固体光致发光-能带理论-柴

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带中形成孤立的能级系统,通过这些
能级产生发光所需的基态和激发态。
敏化剂:掺杂进入基质的某种离子,
起到能量传递作用,使能量从吸收处
传递到发光中心。
发光材料的构成
发光材料的构成主要有以下三种形式:
1.由多晶或单晶形态的基质材料和激活剂(发光中心)组成,
也可能加入起到能量传递作用的敏化剂;
2.只有基质材料,利用某种本征缺陷做为发光中心;
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光电子技术系光电工程专业
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光电子技术系光电工程专业
3. 晶体缺陷
理想与实际
理想晶体——内在结构完全
规则的固体
实际晶体——固体中或多或少
地存在不规则性,在规则排列
的背景中尚存在微量不规则性的 晶体。
缺 陷 理 论
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3. 晶体缺陷
1)缺陷的分类 按晶体缺陷的几何构型分: 点缺陷 线缺陷
(E ex <E g ): 直接激发发光中心
发光材料对激发能的吸收
2、激发能量大于材料带隙 ( E ex >E g ): 基质吸收激发能量,电子
从价带被激发到导带,导带出
现自由电子,价带留下空穴; 被激发的自由电子-空穴对弛豫 到发光中心,使得发光中心被 激发;随后产生发光。
发光材料对激发能的吸收
发光过程
被激发的发光中心内的电子虽然获得了跃迁至激
分立中心 发态的能量,但并未离开发光中心,迟早它会释放出 激发能,回到基态而发出光来。分立中心尽管在晶体
发光中心
(激活剂)
中,但是发光光过程全部局限在中心内部。
复合中心上的电子被激发后可离化到导带,也就
复合中心 是把电子送到中心以外,参与到整个晶体的电子群中。
③非化学计量结构缺陷(非整比化合物)
原子或离子晶体化合物中,可以不遵守化合物的整数比或化学计量 关系的准则,即同一种物质的组成可以在一定范围内变动。相应的 结构称为非化学计量结构缺陷,也称为非化学计量化合物。非化学 计量结构缺陷中存在的多价态元素保持了化合物的电价平衡。 非化学计量结构缺陷的形成: 组成中有多价态元素组分,如过渡金属氧化物; 环境气氛和压力的变化。
②杂质缺陷
外来原子进入主晶格(即原有晶体点阵)而产生的结构为杂质缺陷。
点缺陷杂质原子无论进入晶格间隙的位臵或取代主晶格原子,都必须 在晶格中随机分布,不形成特定的结构。杂质原子在主晶格中的分布
可以比喻成溶质在溶剂中的分散,称之为固溶体。
晶体的杂质缺陷浓度仅取决于加入到晶体中的杂质含量,而与温度无 关,这是杂质缺陷形成(非本征缺陷)与热缺陷形成(本征缺陷)的 重要区别。
光致发光过程及机理
光致发光过程及机理
激发
发射
激发
发射
A
S
能量传递
A
非发光跃迁
荧光粉的光致发光过程 A 激活剂
能量从敏化剂向激活剂传 递的发光过程 A 激活剂;S 敏化剂
光致发光过程-光吸收的过程
同基质晶格中的同一发光中心的发光性能通常是不同的, 导致不 同基质晶格内同一发光中心不同发光性能的首要因素是共价性, 共价 性增加, 则电子之间的相互作用减少, 这是由于它们铺展到更宽的轨 道上。因为电子互作用决定能级间的能量差, 所以随共价性增加, 能 级间的电子跃迁向低能方向移动, 即称为电子云扩张效应。 辐射吸收不一定必须发生在掺杂的发光中心本身, 也可以发生在基 质晶格中, 可以将发生在基质内的吸收跃迁简单分为2类: 产生自由电 荷载流子( 电子和空穴) 的和不产生自由电荷载流子的吸收跃迁。
掺杂到基质晶格中的激活剂的价态、在晶格中的位臵(晶格离子的臵
换、点阵的位臵)、激活剂周围的情况、是否有共激活剂,所有这些 都决定了发光中心的结构和它的性质。
发光材料的构成
基质:某种绝缘体或半导体材料,
形成基本的能带结构。对于激发能量 的吸收起到主要作用。
激活剂:掺杂进入基质的某种离子
或基团,通常是高效的发光中心,例 如稀土离子,过渡族金属离子等。激 活剂可以在基质形成的能带结构的禁
3、激发能量远大于材料带隙( E ex >>E g ) 此种吸收对应高能射线激发、高能粒子激发或电子束激发。 基质材料吸收高能光子或高能粒子,产生次级电子,次级电
子再次产生次级电子,直到能量逐步降低到略大于带隙的能量,
在通过能量传递和弛豫过程激发发光中心,实现发光。
发光的实质
发光过程
稀土族元素能级图
晶体与掺杂
对于多晶材料,首先要纯度高,但是有时纯度高也还不行,还要
进行掺杂,杂质分为 激活剂----作发光中心
共激活剂--加强激活剂的作用
敏化剂----吸收能量后,再把能量传递给激活剂 猝灭剂----从发光中心抢走能量的有害杂质 惰性杂质--既无益也无害的杂质。 掺杂的目的 为了获得某种发光颜色 改变材料的电导方式
但一般短程有序,没有固定熔点。
非晶材料由于缺陷较多,往往发光强度受到一定限制,但有 些材料非晶态的制备比生长单晶容易和廉价,也被用作发光材料, 例如玻璃闪烁体。
1.发光材料的形态
纳米晶
颗粒尺度小于100nm的晶粒组成的发光材料。
与多晶材料(尺度微米量级)相比,其尺度更小。 颗粒尺度的减小,具有更大的比表面积,表现出较为明显 的量子限制效应,对于提高发光强度,调节发光波长具有 特殊作用。 纳米晶可以单独存在,也可以掺入玻璃材料中,形成纳米 晶玻璃。
3.只有基质材料,利用本征激子态或带边电子态产生发光。
发光材料的要求
发光材料——把某种形式的激发能量转化为光能。
因此对于一个有效的发光材料,应具备如下要求: 1.能够有效地吸收激发能量; 2.能够把吸收的激发能量有效地传递给发光中心; 3.发光中心具有高的辐射跃迁效率。
发光材料对激发能的吸收
1、激发能量小于材料带隙
差别。
各类器件所依据的发光现象之所以能实现,或者比较明显,是 靠好材料的发现和研制。正如:“做材料的人离不开材料,做器
件的人更离不开材料。”
晶体材料是研究工作的理想对象,应用也非常广泛。
1.发光材料的形态
晶体 非晶 纳米晶 薄膜
1.发光材料的形态
晶体
理想晶体是由许多质点(包括 原子、离子、分子或原子群等)在 三维空间作有规则排列而成的固体 物质。晶体的外形具有一定的对称 性,反映了晶体粒子在内部的规则 排列。 晶体包括单晶和多晶。 单晶:整个晶格是连续的。 多晶:由大量小单晶颗粒组成的集体。 每个小晶粒的尺寸为微米量级,呈现 出粉末状态,如荧光粉。
7个晶系和14种晶格(点阵)
立方 四方 斜方 六方 单斜 三方
三斜
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2. 晶体结构
③ 晶体结构的周期性 晶体结构=空间点阵+基元,即整个晶体结构可看作是 由基元沿空间三个不同方向 , 各按一定的距离周期性地平 移而构成。每一平移距离称为一个周期。在不同的方向上 周期一般不同.
面缺陷
体缺陷 微缺陷 在无机发光材料中,对发光性能起重要作用的是掺杂如晶 体基质的稀土元素或者过渡金属元素,即晶体中的点缺陷。
3. 晶体缺陷
点缺陷的名称
根据点缺陷相对于理想晶格 位臵的偏差状态,点缺陷具有不同 的名称: ①空位:正常格点位臵出现的原子 或离子空缺; ②杂质原子(离子):晶体组分以 外的原子进入晶格中,即为杂质。 杂质原子可以取代晶体中正常格点 位臵上的原子(离子),称为杂质 原子(离子);也可进入正常格点 位臵之间的间隙位臵,称为间隙原 子(离子)。
2. 晶体结构
布拉维点阵和晶系 法国晶体学家布拉维(Bravais)经过研究,选取的晶胞 有14种,称为布拉维点阵。晶胞的形状和大小用相交于某一 定点的三条棱边上的点阵周期a、b、c以及它们之间的夹角α、 β、γ来表示。一般以b、c之间的夹角为α,a、c之间的夹角为 β,a、b之间的夹角为γ。a、b、c和α、β、γ称为点阵常数或 晶格常数。根据点阵常数将晶体点阵分为7个晶系,每个晶系 有几种点阵类型。
晶体材料具有高的发光效率,是发光材料的主要形态。
1.发光材料的形态
非晶
非晶:组成物质的原子或离子排列不具有周期性,如玻璃,有时
称作无定形材料。 非晶中质点的分布类似液体,所以非晶质体也可被认为是过冷液
体,因此严格说来只有晶体才是固体。
晶体与非晶的不同点在于晶体的内部质点排列是有规律的,长程 有序,具有固定熔点,而非晶内部质点排列是无规律,长程无序
③ 杂质原子
① 空位
② 间隙原子
3. 晶体缺陷
点缺陷类型
①热缺陷(本征缺陷) ②杂质缺陷(非本征缺陷) ③非化学计量结构缺陷(非整比化合物)
①热缺陷(本征缺陷)
一、热缺陷的定义
当晶体的温度高于绝对零度时,晶格内原子吸收能量,在其 平衡位臵附近热振动。温度越高,热振动幅度加大,原子的平均
动能随之增加。热振动的原子在某一瞬间可以获得较大的能量,
1.发光材料的形态
薄膜
在合适的衬底上镀上发光材料,可以制备出发光薄膜。这
层发光材料的形态可以是单晶、多晶甚至是非晶。 某些应用场合需要采取薄膜的形态。
2.晶体结构
(1)空间点阵
在讨论晶体结构的周期性时,一
般假设晶体是无限的。 ① 基元:构成晶体的基本结构单元称 为基元。 基元可以是单个原子或 离子,也可以是若干原子的基团。 每个基元的组成、位形和取向 都相同。例如在NaCl中, 一个基元 包含一个 NaCl 分子;而在金刚石 中 , 一个基元包含两个不同的 C 原 子。
但是它们在导带内不会停留很久,很快会和离化中心 复合,或者被禁带中由于杂质缺陷形成的陷阱俘获。
光致发光过程及机理
光致发光过程
当外部光源如紫外光、可见wenku.baidu.com甚至激光照射到光致发光材料时, 发光材料就会发射出如可见光、紫外光等,实际上光致发光材料的发
光过程比较复杂,一般可以分为能量的吸收,能量传递,辐射能量回
固体发光机理
晶体材料都呈现一定规律的周期排列,内部原子存在较强的
相互作用,导致原子能级的变化,许多相近能级构成能带。某些
无机物所以具有发光性能是与合成过程中化合物 ( 发光材料基质) 晶格里产生的结构缺陷和杂质缺陷有关,这些缺陷局部地破坏了 晶体内部的规则排列,从而形成缺陷能级。当外部光源照射时, 电子就会在各种能级间跃迁,从而产生发光现象。
激活发光与杂质
在高温下,向基质晶格中掺入另一种元素的离子或原子时,会出现杂 质缺陷,由这种缺陷引起的发光叫激活发光,而激活杂质叫激活剂。 实际上,相当多重要的发光材料大多都是激活型的,即有选择性地在
基质中掺入微量杂质的发光材料。
这些杂质大多都充当发光中心(有些用来改变发光体的导电类型。) 所以,发光中心的概念和激活剂是相联系的。
固体光致发光原理
Optoelectronics Display Technology
西安邮电大学
晶体材料的研究目的
固体发光的能级、能级间的跃迁是非常根本的概念,它是量子 论的结果,也是发光学中贯穿一切的主线。
固体发光现象非常丰富,在不同激发方式或不同应用上,有各
自不同的表现。 发光器件的制作方法及条件也是种类繁多,随应用场合有很大
2. 晶体结构
② 格点、点阵和布拉维格子 为讨论晶体结构时的方便,常把晶体中一个基元抽象为 一个几何点, 这些代表着晶体结构中相同位臵的几何点称
为格点。格点的位臵可选在基元的重心, 也可选在基元中
相同的原子中心。 晶体内部结构可以概括为是由格点在空 间有规则地作周期性的无限分布。格点的总体称为空间点阵。 通过点阵可以作许多平行的直线族和平面族,把点阵分成一 些网格, 这种网格称为布拉维格子。
挣脱周围质点的作用,离开平衡位臵,进入到晶格内的其它位臵, 而在原来的位臵处产生1个空位。 这种由于晶体内部质点热运动而形成的点缺陷称为热缺陷。
①热缺陷(本征缺陷)
二、热缺陷的类型
按照离开平衡位臵原子进入晶格内的不同位臵,热缺陷以此 分为两类: 弗伦克尔缺陷(Frenkel) 离开平衡位臵的原子进入晶格的间隙位臵,晶体中形成了弗伦 克尔缺陷。弗伦克尔缺陷的特点是空位和间隙原子同时出现,晶体 体积不发生变化,晶体不会因为出现空位而产生密度变化。 肖特基缺陷(Schottky) 离开平衡位臵的原子迁移至晶体表面的正常格点位臵,而晶体 内仅留有空位,晶体中形成了肖特基缺陷。晶体表面增加了新的原 子层,晶体内部只有空位缺陷。肖特基缺陷的特点晶体体积膨胀, 密度下降。
到基态等过程,即: (1)基质晶格或激活剂(或称发光中心)吸收激活能。
(2)基质晶格将吸收的激发能传递给激活剂。
(3)被激活的激活剂发出荧光而返回基态,同时伴随有部 分非发光跃迁,能量以热的形式散发。
光致发光
光致发光是用光激发发光体引起 的发光现象。它大致经过吸收、 能量传递及光发射三个阶段。 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。
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