第二章光致发光和电致发光的基础知识.
光致发光及电致发光的基本知识
减少三重态猝灭等非辐射重原子的溶剂(碘乙烷、溴乙烷)或在磷光物质中引入含有重
荧光效率
发光分子数 激发态分子数
荧光寿命：分子荧光从最大亮度I衰减为I/2所用的时间。
激态分子的去活化过程（失能过程）
1) 振动弛豫：在液相或压力足够高的气相中，处于激发态的分子因 碰撞将能量以热的形式传递给周围的分子，从而从高振动能层失活至 低振动能层的过程，称为振动弛豫。
2) 内转化 具有相同多重度的分子，如果较高电子能级的低振动能层与较低电 子能级的高振动能层相重叠时，则电子可在重叠的能层之间通过振 动耦合产生无辐射跃迁，如S2→S1；T2→T1。
3) 系间窜跃 指不同多重态间的无辐射跃迁， 例如S1→T1就是一种系间窜跃。 通常，电子由S1的较低振动能级转移至T1的较高振动能级处。 有时，通过热激发，有可能发生T1→S1，然后由S1发生荧光。这是 产生延迟荧光的机理。
激态分子的去活化过程（失能过程）：
4) 外转换 受激分子与溶剂或其它溶质分子相互作用发生能量转换。 这一转换过程能使荧光或磷光强度减弱甚至消失的过程， 也称“熄灭或“猝灭”。
吸收与发射
hv
hv
电子的激发过程
有机分子被激发时，电子的自旋没有改变，则激发态分子 的总自旋仍为零，分子仍为单重态这就是激发单重态。 按能量的高低，分别用S1,S2，S3等来表示若干激发单重态。 若在分子激发时，跃迁的电子自旋发生了翻转，则分子中 电子的总自旋S = 1。 分子的多重性为2S+1 = 3，分子处于三重态， 用T1, T2,T3等来表示不同能量的激发三重态 。 在光物理过程中，涉及最多的是S0, S1和T1 三个态。
光学原理-发光的定义及特点
• 气体放电总伴随着光的发射
– 气体放电过程中，有的原子、分子或离子在碰 撞过程中会被激发到高能态，从而会发出光来
X* X h
• 激发还可以通过异类原子（或分子）间的 共振能量传递间接地实现
气体放电的应用
• 霓虹灯 • 日光灯 • PDP • 气体激光器 • 激光泵浦 • 紫外杀菌灯 • 投影光源 •…
器件名称 阴极射线管 节能灯
发光类型 阴极射线发光 光致发光
PDP
冷阴极荧光灯 白光LED （蓝色芯片）
光致发光 光致发光 光致发光
六、材料发光所经历的主要过程
• 激发
– 发光必须首先从外界获取能量 – 将体内的原子、分子或离子从基态激发到高能态
• 辐射跃迁
– 高能态（激发态）是一种不稳定的状态， – 粒子迟早会从激发态跃迁回基态，释放出吸收的能
课堂练习
• 激发光谱的横坐标和纵坐标分别表示什么参量 – 横坐标：激发光的波长 – 纵坐标：特定波长（或谱带）发射光的强度或光通量
• 常见的激发光谱或发射光谱的纵坐标一般为相对强度 正确 • 工程上将激发停止后发光强度降低到起始值的 10% 所需
的时间作为荧光粉的余辉时间
思考题
1、什么是发光，它有什么特点？ 2、发光和热辐射有什么区别？ 3、发光所经历的主要物理过程有哪些？ 4、从发光经历的物理过程分析，如何才能保证日光灯具有较高的发光效率 5、列举常见的荧光粉器件，根据发光材料的激发方式说明其中发光材料的发光类型 6、什么是激发光谱，什么是发射光谱？ 7、发光效率有哪三种不同的表达形式，分别说明之。 8、一种日光灯用荧光粉的量子效率为0.8，发光峰值波长为500nm，计算该荧光粉在250 nm紫外
第二章 发光的定义及特点
有机小分子电致发光材料
5.1.1只含碳和氢两种元素的芳香型蓝光材料 5.1.1.1 苝类蓝光材料
苝是由Kodak公司用作蓝色发光材料，但它的能级与Alq3的能级 不匹配，需要掺杂在发射光谱蓝移的Alq3衍生物Q2Al-OAr中才 能获得蓝光OLED。
将大休积的TBPe掺杂在BAlq中构成的EL器件，能有效地 降低浓度淬灭现象。
5.1.3有机硅类蓝光材料
基于四苯基硅单元的蓝色发光化合物Ph3Si(PhTPAOXD) , Ph2Si(PhTPAOXD)2，PhSi(PhTPAOXD)3和Si(PhTPAOXD)4，分别含 有三苯胺噁二唑单元(TPAOXD) ，
玻璃化温度高，如Si(PhTPAOXD)4 的 Tg=174 ， 蓝色发光材料，发射峰值在 450 465 nm之间。
色坐标为(0.15, 0.15)。
5.1.2芳胺类蓝光材料
5.1.2.3具有D--A结构的芳胺类蓝光材料
具有 D--A结构的芳胺类化合物的分子 偶极矩较大，当电子给体和共轭基团相同 时，D--A结构的芳胺类化合物的荧光光谱 比D--D结构的芳胺类化合物的要红移。
所以，要求共轭体系不能太大且电子 受体基团不能太强。
器件ITO / NPB(40nm) / Ph3Si(Ph-TPAOXD (20nm) / Alq3 (40nm) / Mg:Ag显示了纯蓝色的窄带发射，半峰宽(FWHM)为75 nm，器件的最大亮度超过20 000 cd/m2，外量子效率为1. 7 %。
基于MPS的蓝光OLED的最大效率达到20 cd/A (外量子效 率为8%)。通过调节阴极材料，功率效率可以达到14 lrn/W，但 EL器件的发射峰值在490 nm处，色度不纯。
具有蓝色荧光发射的含有嘧啶的螺芴衍生物TBPSF的荧光 量子产率为80%，最大发射波长为430 nm。较大的空间位阻使 得化合物具有非常好的成膜性和很高的玻璃化转变温度(Tg = 195℃)。
电致发光要点
电致发光要点
电致发光（Electroluminescent，简称EL）是一种将电能直接转换为光能的物理现象。
它通过在两电极间施加电压产生电场，激发电子与空穴复合，导致电子在能级间跃迁、变化、复合，从而发出光。
这种现象不同于热发光、化学发光、声致发光等其他发光方式，具有独特的特点和应用。
电致发光材料通常包含发光中心和基质。
发光中心是电子和空穴复合的场所，而基质则负责传输电子和空穴。
在电场作用下，电子从阴极注入并迁移到发光中心，同时空穴从阳极注入并迁移到发光中心。
当电子和空穴在发光中心复合时，释放出能量并以光的形式发出。
电致发光器件通常由多层结构组成，包括电极、绝缘层、发光层和透明电极等。
其中，发光层是电致发光的核心部分，通常采用具有高发光效率的荧光粉或半导体材料。
当外加电压作用在电极上时，电流通过绝缘层进入发光层，激发出光子并以光的形式发射出来。
电致发光具有许多优点，如高亮度、高效率、长寿命、快速响应等。
因此，它在许多领域都有广泛的应用，如平板显示器、照明、背光等。
在平板显示器方面，电致发光显示器具有高清晰度、低功耗、视角大等优点，是下一代显示技术的有力竞争者。
总之，电致发光是一种将电能直接转换为光能的物理现象，具有独特的特点和应用。
随着科学技术的不断发展，电致发光将会在更多领域发挥重要作用，并推动相关领域的
科技进步。
光致发光和电致发光谱概述
斯托克斯定律（Stoke’s law）
发光材料的发射光波长一般总是大于激发光波长，这称为 斯托克斯定律，激发光波长（或能量）与发射光波长（或能量） 之差称为斯托克斯位移，或者说发光的光子能量通常要小于激 发光子的能量。
即材料吸收高能量的短波辐射，而发射出低能量的长波辐射。
反斯托克斯效应（Anti-stoke’s effect）
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按照弗兰克－康登原理：
光学吸收跃迁是垂直的。原因是当 发光中心吸收了发光能时，系统的能量 将由基态竖直的跃迁到激发态。从基态 向激发态的跃迁是电子的，而水平位移 是核的，距离只是核间距，电子的激发 时间很短，电子的运动比核快很多，激 发结束的瞬间系统的位形没能来得及发 生变化。所以电子跃迁可以很好地近似 看作在静态环境内进行。
用于波长低于450nm的情形，汞灯和氙灯是常用的两种具有线状 谱的光源，汞灯有高压的和低压的，低压汞灯线状谱较锐，高压 汞灯工作在高温高压下，原子谱线展的较宽。但作为紫外光源， 二者共同的缺点是在可见光区和红外光区有较大的输出，另一种 常见的紫外光源是氘灯，虽然它的光强度较低，但具有很好的紫 外连续谱，且可见光成分很少。
耦合：电子与晶格振动相互作用。 △R反映了这种耦合的强度。
在较高温度下，起始状态也可能是 v＞0的能级，这样会使吸收带更宽。
位形坐标与对应的吸收谱
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基质晶格吸收
除了发光中心吸收外界能量，基质晶格也会吸收能量，通 过两种方式：
1、产生自由电子和空穴；光跃迁属于电荷跃迁类型。 2、产生电子-空穴对（激子）。 前者需要的能量超过材料的带隙；后者可以略小于带隙。
然而，如果△ R≠0，则v＝o与几个v’＞ o能级间有最大的振动重叠，就可以观察到 宽带吸收。吸收带越宽，则△ R值越大。吸 收谱的宽度可以表征激发态和基态之间的△ R值的大小。
电制发光的原理和应用
电致发光的原理和应用一、电致发光的基本原理电致发光是指通过施加电压或电场，将电能转化为光能的一种现象。
其基本原理是当某些材料在被电压激发后，能够产生电子与空穴的复合，从而释放出光子。
电致发光的原理可以由以下几个方面来解释：1.能级跃迁：当材料中出现能级跃迁时，光子将被激发并发射出来。
这种跃迁可以是由于电子与空穴复合或电子在能带间跃迁引起的。
例如，半导体材料中的电子通过与空穴复合的方式释放出光子。
2.发射激活：某些材料只有在被激活后才能发光。
电场激活和电压激活是电致发光的两种常见激活方式。
在电场激活中，施加电场使得材料中的电子被激发，从而产生发光。
而在电压激活中，施加电压会改变材料的能带结构，使电子跃迁释放出光子。
3.能量转换：电场或电压施加在特定材料上，将电能转化为光能。
这种能量转换过程可以通过电子行为、能带结构变化及电子与空穴复合来解释。
二、电致发光的应用电致发光技术广泛应用于各个领域，以下是一些常见的应用：1. 电子显示器电致发光技术是现代平面显示器的关键技术之一。
例如，液晶显示器背光模块中使用的LED背光源，以及有机发光二极管（OLED）显示屏都是基于电致发光原理。
这些显示器具有高亮度、广色域和低功耗等特点，被广泛应用于电视、手机、电脑等消费电子产品。
2. 照明LED照明是电致发光技术的重要应用之一。
由于LED具有高效率、长寿命和低功耗等特点，被广泛应用于室内外照明。
LED灯泡、灯管、路灯等产品在照明领域有着广泛应用，并逐渐取代传统的白炽灯和荧光灯。
3. 汽车照明电致发光技术在汽车照明领域也有广泛应用。
例如，LED大灯在汽车前照灯和尾灯中被广泛采用，其高亮度和耐用性使得驾驶者在夜间或恶劣天气条件下获得更好的视觉效果。
此外，车内阅读灯、仪表盘背光灯等也都基于电致发光技术。
4. 光电器件电致发光技术在光电器件中应用广泛。
例如，激光二极管（LD）和近红外二极管（NIR）等器件在通信、医疗、工业和科学研究等领域发挥着重要作用。
电致发光的原理
电致发光的原理电致发光（Electroluminescence，简称EL）是一种利用电场作用下物质发光的现象，它是一种重要的发光原理，被广泛应用于LED显示屏、荧光材料等领域。
电致发光的原理是指在外加电场的作用下，物质中的电子和空穴结合发生能级跃迁，从而产生光致发光的现象。
下面将详细介绍电致发光的原理及其应用。
电致发光的原理。
电致发光的原理主要涉及到半导体材料和电子结构。
在半导体材料中，当外加电场作用下，电子和空穴会在PN结的区域发生复合，释放出能量，从而产生光致发光的现象。
具体来说，当外加电压加到半导体材料上时，电子和空穴会在PN结的区域发生复合，电子从高能级跃迁到低能级时，释放出能量，这些能量以光的形式发射出来，产生发光的效应。
电致发光的应用。
电致发光技术已经被广泛应用于LED显示屏、荧光材料等领域。
在LED显示屏中，电致发光技术被用于制造LED发光二极管，LED发光二极管是一种半导体发光器件，具有体积小、功耗低、寿命长等优点，被广泛应用于室内外显示屏、汽车车灯等领域。
在荧光材料中，电致发光技术被用于制造荧光粉，荧光粉是一种能够在紫外光的激发下发光的材料，被广泛应用于荧光灯、荧光笔等产品中。
总结。
电致发光是一种利用电场作用下物质发光的现象，它是一种重要的发光原理，被广泛应用于LED显示屏、荧光材料等领域。
电致发光的原理是指在外加电场的作用下，物质中的电子和空穴结合发生能级跃迁，从而产生光致发光的现象。
电致发光技术已经被广泛应用于LED显示屏、荧光材料等领域，为人们的生活带来了诸多便利。
希望本文能够帮助大家更加深入地了解电致发光的原理及其应用。
-光致发光及电致发光的基本知识1
吸收与子被激发时，电子的自旋没有改变，则激发态分子 的总自旋仍为零，分子仍为单重态这就是激发单重态。 按能量的高低，分别用S1,S2，S3等来表示若干激发单重态。 若在分子激发时，跃迁的电子自旋发生了翻转，则分子中 电子的总自旋S = 1。 分子的多重性为2S+1 = 3，分子处于三重态， 用T1, T2,T3等来表示不同能量的激发三重态 。 在光物理过程中，涉及最多的是S0, S1和T1 三个态。
? 重原子效应
在重原子中，能级之间的交叉现象比较严重，因此容易发生自旋轨道的相互作 用，增加了由单重态转化为三重态的概率。如，卤素取代基随原子序数的增 加而荧光降低。
? 溶剂、 温度、溶液pH等对荧光光谱也有影响。
磷光光谱分析简介
磷光：处于基态的物质分子受到激发后，跃迁到能量较高的能级，再从 T1跃迁回S0所产生的光辐射，称之为磷光。
室温磷光的主要测试方法：
I、固体基质 在室温下以固体基质(如纤维素等)吸附磷光体，可增加分子刚性、 减少三重态猝灭等非辐射跃迁，从而提高磷光量子效率。
II、重原子效应 ? 使用含有重原子的溶剂(碘乙烷、溴乙烷)或在磷光物质中引入含有重
3) 系间窜跃 指不同多重态间的无辐射跃迁， 例如S1→T1就是一种系间窜跃。 通常，电子由S1的较低振动能级转移至T1的较高振动能级处。 有时，通过热激发，有可能发生T1→S1，然后由S1发生荧光。这是 产生延迟荧光的机理。
激态分子的去活化过程（失能过程）：
4) 外转换 受激分子与溶剂或其它溶质分子相互作用发生能量转换。 这一转换过程能使荧光或磷光强度减弱甚至消失的过程， 也称“熄灭或“猝灭”。
荧光效率
?
发光分子数 激发态分子数
荧光寿命：分子荧光从最大亮度I衰减为I/2所用的时间。
有机电致发光介绍
电路相匹配； (4) 制作工艺简单并且成本低； (5) 可实现超薄的大面积平板显示，响应速度快，
视角大，全固化，抗震性能好，工作温度范围广； (6) 良好的机械加工性能，容易做成不同形状。
最早有机电致发光的报导
是Bernanose等人在蒽单晶片的两 侧加400 V直流电压时观测到的发 光现象。
有机电致发光材料与技术
主要内容
第一章 绪 论 第二章光致发光及电致发光的基本知识 第三章电致发光的器件结构与器件物理 第四章有机电致发光的主要辅助材料
主要内容
第一章 绪 论 第二章光致发光及电致发光的基本知识 第三章电致发光的器件结构与器件物理 第四章有机电致发光的主要辅助材料
电致发光的发展历程
由于单晶厚度达10－20 m，所 以驱动电压较高。
由于蒽单晶作为电致发光材料难以 获得大面积及更低电压下的发光， 并且发光器件的效率也极低，有机 电致发光在当时并没有引起科研工 作者的注意。
N
1987年，以邓青云博士(Dr. Ching W. Tang) 为 首 的 Eastman Kodak公司研究团队, 以芳香二胺(TPD)作为空穴传 输层，以Alq3作为发光层，稳 定 的 低 功 函 材 料 Mg:Ag 合 金 作为阴极，研制出驱动电压 10V、亮度>1000 cd/m2和效 率1.5lm/W的有机电致发光器 件。
后来，Heeger小组又研制出基于 柔性衬底的聚合物有机电致发 光器件,器件在2～3 V下就可以 发光，量子效率大于1％。 这种塑料基聚合物有机电致发 光器件可以卷曲和折叠而不影 响器件的发光性能。 从此对有机电致发光器件的研 究开始向纵深方向发展。
第二章光致发光和电致发光的基础知识
x z z
x z
x
1s轨道
2s轨道
2px轨道
2py轨 道
2pz轨道
43
有机材料中的能带和载流子
量子力学相关概念
价键理论
y
y
x
x
x
(1) 如果两个原子各有一个未成对电子且自旋反平行，就可耦合配对， 成为一个共价键 （i）1s轨道与2px轨道最大重叠 （ii）不是最大重叠 (2) 如果一个原子的未成对电子已经配对，就不再能与其它原子的未成 对电子配对，这就是共价键的饱和性 思考：BeCl2和 (3) 电子云重叠越多，形成的键愈强，即共价键的键能与原子轨道重叠 BF3分子中Be原子 程度成正比，这就是共价键的方向性 和B原子的分别是 (4) 能量相近的原子轨道可进行杂化，组成能量相近的杂化轨道 什么杂化类型？
荧光和磷光本质区别S1Fra bibliotek2 2 1 3 1 4 3
S1
T1
S0
4
S0
图3：荧光发射示意图
图4：磷光发射示意图
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基础光物理
激发态分子的失能过程(去活化)
振动弛豫
是指在液相或压力足够高的气相中，处于激发态的分子因碰撞将能 量以热的形式传递给周围的分子，从而从高振动级层失活至低振动 能级的过程，属于非辐射跃迁过程
系数，l-试样池的光程，c-磷光物质的浓度
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基础光物理—磷光光谱分析
磷光光谱分析
随着温度降低，分子热运动速率减慢，磷光逐渐增强。 低温磷光：溶剂要求容易提纯且在分析波长内无强吸收和发射；低温下 能形成具有足够粘度的透明刚性玻璃体，常用的溶剂EPA（乙醇：异戊 烷：乙醚=2:2:5）。低温磷光的测试在液氮条件下完成。 室温磷光：1974年克服了低温磷光所受到实验装置和溶剂的限制。
光致发光和电致发光谱
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（2）位形坐标图
位形坐标曲线是解释电子－声子相互作用的一种物理模型，用一个 坐标来代表离子的位置，作为横轴；纵轴表示电子-离子系统的能量， 包括电子能量和离子势能，这就是位形坐标曲线。
如图，曲线代表离子位置变化时系统的能量的改变情况，也可以 看作是电子在某一状态时离子的势能曲线。横轴是离子位置，纵轴是 能量。下面一条曲线是在基态时系统的能量随位形坐标的变化，上面 一条对应电子在激发态时系统的能量随位形坐标的变化。A到B是吸收， C到D代表发光，E是电子基态和激发态的能量差，水平短横线代表离 子的振动能级。
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下表给出了某些重要光致发光材料的量子效率，到目前为止，尚未 得到量子效率为100%的材料。
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之前我们曾假设从激发态回到基态完全是通过辐射返一途径来完成的， 实际并非如此，事实上有许多中心是根本丌发光的，
分立发光中心 被激发的电子没有离开中心而回到基态产生发光。 复合发光中心 电子被激发后离化，不空穴通过特定中心复合产生发光。
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两种不同形式的发光
光致发光大致经历吸收、能量传递和光发射三个主要阶 段。光的吸收和发射都是发生在能级之间的跃迁，都经过激 发态，而能量传递则是由于激发态的运动，激发光辐射的能 量可直接被发光中心吸收，也可被发光材料的基质吸收。
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光吸收的跃迁从最低振动能级 (也即 v=0，v是振动量子数)处开始的，因此在振 动波函数有最大值的R0处最可能发生跃迁。 跃迁结束在激发态抛物线的棱上，因为此处 激发态的振动能级取得最大值，此跃迁对应 于吸收带的最大。 基态偏离R0处（v>0）也会产生吸收 跃迁，但几率降低。 返样导致吸收谱具有一定的宽度。R0 处对应的吸收能量为E0，则抛物线左侧和右 侧对应能量分别高于和低于E0。 吸收谱的宽度取决于基态和激发 态抛物线最低值R的差值(△R) 位形坐标不对应的宽带吸收示意
电致发光的原理
电致发光的原理电致发光，即电致发光材料受到电场激发后，产生可见光的现象。
这一技术在现代光电子领域得到了广泛应用，如LED显示屏、照明器件等。
电致发光的原理涉及到材料的电学和光学性质，下面将对其原理进行详细介绍。
首先，我们需要了解电致发光材料的基本结构。
电致发光材料通常由发光层、电子传输层和阳极、阴极等组成。
其中，发光层是整个材料的核心部分，它包含有发光分子或半导体纳米晶体等。
电子传输层用于输送电子，阳极和阴极则用于提供电子和正电子。
当外加电压作用于电致发光材料时，电子从阴极注入到发光层，而正电子从阳极注入到发光层，二者在发光层中复合，产生光子，从而实现发光。
其次，电致发光的原理涉及到材料的能级结构和载流子的输运过程。
在电致发光材料中，电子和正电子的能级分布是非常重要的。
当外加电压施加到材料上时，电子和正电子被激发到高能级，形成激子。
这些激子在发光层中遇到发光分子时，会复合成激子复合态，释放出能量，产生光子。
此外，电子和正电子的输运过程也对电致发光起着至关重要的作用。
电子传输层和发光层之间的电子输运，以及发光层内部的激子输运，都会影响到电致发光效果的好坏。
最后，我们需要了解电致发光材料的发光机制。
电致发光材料的发光机制可以分为有机发光和无机发光两种。
有机发光材料通常是碳基材料，如有机小分子、聚合物等，其发光机制主要是通过激子的复合来产生光子。
而无机发光材料则是指半导体材料，如氮化镓、磷化铟等，其发光机制是通过电子和正电子在晶格中复合来产生光子。
两者的发光机制虽然不同，但都是基于电子与正电子的复合过程。
综上所述，电致发光的原理涉及到材料的基本结构、能级结构和载流子的输运过程，以及发光机制等方面。
通过对电致发光的原理进行深入了解，可以更好地指导电致发光材料的设计与制备，推动电致发光技术在光电子领域的应用与发展。
光致发光和电致发光谱课件
光致发光与电致发光未来发展的比较
应用领域
光致发光和电致发光各有其应用领域，光致发光更适用于需要大面积、长寿命、高稳定性 的场合，如显示屏、照明等；而电致发光则更适用于需要小面积、高亮度的场合，如指示 灯、显示面板等。
技术发展
光致发光和电致发光的技术发展路径不同，光致发光主要关注新型材料的研发和器件性能 的提升，而电致发光则更注重高效节能技术和多功能化的发展。
05
光致发光和电致发光的未来发展
光致发光的未来发展
新型材料研发
随着材料科学的不断发展，未来将会有更多高效、稳定的光致发 光材料被研发出来，进一步拓展光致发光的应用领域。
器件性能提升
通过改进光致发光器件的结构和工艺，提高其性能指标，如提高发 光效率、降低能耗等，以满足更广泛的应用需求。
智能化控制
结合光致发光器件与其他传感器和驱动器，实现光致发光器件的智 能化控制，使其能够更好地适应各种环境和应用场景。
荧光灯
荧光灯利用光致发光原理，通过 灯管内的荧光粉吸收紫外光并发
发光原理，通过 背光灯发出白光，再通过彩色滤
光片显示颜色。
荧光探测器
在科学实验和工业生产中，荧光 探测器常被用来检测物质中的荧 光物质，如蛋白质、DNA等。
电致发光的实际应用
02
光致发光和电致发光的材料
光致发光材料
光致发光材料在受到光照后，能够将吸收的光能转换为荧 光或磷光并释放出来。
光致发光材料通常由无机晶体、玻璃、陶瓷或高分子聚合 物等组成，它们能够将吸收的光能转换为较低能量的光辐 射，如荧光或磷光。这种材料广泛应用于照明、显示、生 物成像和传感等领域。
电致发光材料
当物质受到特定波长的光线照射时，其电子从基态跃迁至激 发态。当电子从激发态返回基态时，会释放出次级光子，其 能量与吸收的光子能量相等或相近。光致发光现象广泛存在 于自然界中，如萤火虫的发光。
第二章-有机电致发光的基本原理
第二章 有机电致发光的基本原理2.1 有机电致发光器件的发光机理有机电致发光材料均为共轭有机分子，依据休克尔分子轨道理论（HMO ），并结合半导体理论中的能带理论，可将有机共轭分子中的最高分子占有轨道HOMO 类比为能带理论中的价带顶，最低空轨道LUMO 为导带底，这样就可以用半导体理论模型对有机电致发光进行理论研究。
有机电致发光和无机电致发光相似，属于载流子双注入型发光器件，所以又称为有机发光二极管，其发光机理一般认为是:在外界电压驱动下，从阴极注入的电子与从阳极注入的空穴在有机层中形成激子，并将能量传递给有机发光物质的分子，使其受到激发，从基态跃迁到激发态，当受激分子从基态回到基态时辐射跃迁而产生发光。
具体发光过程可分以下几个阶段：(1) 载流子的注入：在外加电场的条件下，空穴和电子分别从阳极和阴极向夹在电极之间的有机功能薄膜层注入，即空穴向空穴传输层的HOMO 能级(相当于半导体的价带)注入，而电子向电子传输层LUMO 能级(相当于半导体的导带)注入。
电子的注入机理比较复杂，可分为电场增强热电子发射；场致发射，其过程是在强电场作用下，电子通过势垒从金属至半导体的量子力学隧穿。
在低温时，大多数电子是在金属的费米能级上隧穿势垒的，这形成场致发射（F 发射），在中等温度时，大多数电子是在能级Em （高于金属的费米能级）上隧穿势垒的，这形成所谓的热电子场致发射或热助场致发射（T-F 发射），在极高温度时，主要贡献是热电子发射；隧穿发射，如果绝缘体足够薄或者含有大量的缺陷，或者两者兼有，则电子可直接从电极注入到有机层。
(2) 载流子的迁移：载流子在有机分子薄膜中的迁移被认为是跳跃运动和隧穿运动[9,10]，并认为这两种运动是在能带中进行的。
当载流子一旦从两极注入到有机分子中，有机分子就处在离子基(A ＋、A －)状态，（见下图）并与相邻的分子通过传递的方式向对面电极运动。
此种跳跃运动是靠电子云的重叠来实现的，从化学的角度来说，就是相邻的分子通过氧化-还原方式使载流子运动。
物体发光的原理
物体发光的原理人们常常能够看到许多物体在黑暗中发出明亮的光芒，比如夜空中的星星、照明灯、手机屏幕等。
这些物体之所以能够发光，是因为它们利用了不同的物理原理。
下面将介绍几种常见的物体发光原理。
一、热辐射发光原理热辐射发光是指物体在高温下发出的光。
根据普朗克辐射定律，发光物体的光谱分布与温度有关。
当物体被加热到足够高的温度时，其分子和原子会发生跃迁，从而释放出能量，形成不同波长的光。
这就是我们常见的热辐射发光原理。
例如，太阳是一个典型的热辐射发光体。
太阳表面的温度约为6000摄氏度，高温使得太阳表面的氢、氦等气体分子和原子发生激发和跃迁，从而释放出大量的能量，形成各种波长的光线。
这些光线经过大气层的折射和散射，最终到达我们的眼睛，让我们看到明亮的阳光。
二、荧光发光原理荧光发光是指物体在特定条件下吸收光能后，再以较长的波长发射出光。
荧光物质通常是一种具有特殊结构的化合物，其分子内部存在能级跃迁的现象。
当荧光物质受到紫外线或可见光的激发时，其分子内部的电子会跃迁到高能级态，然后再返回到低能级态，释放出能量，形成荧光。
例如，我们常见的荧光灯就利用了荧光物质的发光原理。
荧光灯的内部涂有荧光粉，当电流通过荧光灯管时，电流激发荧光粉，使其发出可见光。
荧光灯的光谱主要集中在可见光范围内，因此能够有效地照明。
三、电致发光原理电致发光是指物体在电场或电流的作用下发出光。
这种发光原理主要应用于发光二极管（LED）和有机发光二极管（OLED）等器件中。
LED是一种能够将电能直接转化为光能的器件。
当电流通过LED器件时，电子和空穴在半导体材料中复合，释放出能量，产生光子，从而发出光。
LED的发光颜色由材料的能带结构决定。
OLED是一种利用有机材料的发光原理制造的器件。
当电流通过OLED器件时，有机材料中的电子和空穴复合，释放出能量，形成发光。
OLED具有自发光、色彩鲜艳、对比度高等特点，被广泛应用于显示器、电视屏幕等领域。
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荧光产生必须具备两个条件： 1. 分子的激发态和基态的能量差必须与激发光频率相适应 2. 吸收激发能量之后，分子必须具有一定的荧光量子效率
荧光主要参数：荧光效率(ϕ)、荧光强度(I)、荧光寿命(τ)、最大发射波长(λ)
有机电致发光材料与技术
授课班级: 1206211 授课教师: 左青卉
1
主要内容
第二章：光致发光及电致发光的基础知识
1 基础光物理 2 有机电致发光和有机半导体的基本原理
2
基础光物理
主要知识要点
*基态与激发态 吸收与发射 *荧光与磷光 激基复合物与激基缔合物 电荷转移
3
基础光物理
基态（groud state）与激发态（excited state）
基态：指分子的稳定态，即能量最低态。 基态分子中的电子排布遵从构造原理，即能量最低原理、Pauli 不相容原理、Hund规则
激发态：指分子的一种不稳定状态，其能量相对较高。 激发态分子中的电子排布不完全遵从构造原理
4
基础光物理—基态与激发态
T1
hν
S1
hν
S0
S0
图1：电子跃迁过程
S0：基态（ground state） S1：第一激发单重态（ the lowest excited singlet state）—— 自旋方向不变 T1：第一激发三重态（the lowest excited triplet state） —— 自旋方向改变
荧光产生的光物理过程
S1
1. 光吸收（A） 2. 振动弛豫（VR） 3. 内转换（IC） 4. 荧光发射（F）
2
1 4
3
S0
图3：荧光发射示意图
9
基础光物理—荧光和磷光产生的光物理过程
磷光产生的光物理过程
1. 光吸收（A） 2. 振动弛豫（VR） 3. 系间窜越（ISC） 4. 磷光发射（P）
2
1
激发光谱与发射光谱的关系 1. 与激发(或吸收)波长相比，发射波长更长，即产生所谓Stokes位移。 2. 荧光光谱形状与激发波长无关。
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文献中化合物的激发发射光谱
18
文献中化合物的吸收和发射光谱
19
基础光物理——影响荧光的主要因素
5
基础光物理—基态与激发态
激发态与基态相比
构型上，键级下降，键长增加和键能减小 一般情况下，共轭性不好
图2：常见的单重态和三重态势能相对位置
6
基础光物理
吸收（absorption）与发射（emission）
吸收：分子的激发需要吸收一定的能量，吸收能量后，分子就 处于激发态
发射：通过释放光子而从高能激发态失活到低能基态的过程， 是光吸收的逆过程，又称辐射跃迁
振动弛豫、内转换和系间窜越都属于非辐射跃迁过程
12
基础光物理
激发态分子的失能过程(去活化)
外转换 是指受激分子与溶剂或其它溶质分子相互作用发生能量转换使 荧光或磷光强度减弱甚至消失的过程，是一个分子间的过程
荧光发射（辐射跃迁） 是指处于S1的电子跃迁至基态各振动能级时，得到最大波长为λ 的荧光。不论电子开始被激发至什么高能级，最终将只发射出波 长为λ的荧光，荧光的产生在10-7 - 10-9s内完成
13
基础光物理—激发态的失能过程
荧光淬灭：是指荧光物质与其它溶剂分子或溶质分子相互作 用引起荧光强度降低的现象，引起荧光淬灭原因有：
碰撞淬灭 荧光分子受激后，与淬灭剂分子碰撞而无辐射去活回基态的过程。温度升高， 碰撞淬灭效率增加
静态淬灭 荧光分子与淬灭剂生成非荧光的复合物。温度升高，静态淬灭效率降低
3
4
S1 T1
S0
图4：磷光发射示意图
10
基础光物理—荧光和磷光产生的光物理过程
荧光和磷光本质区别
S1
2
1 4
3
S0
2
1
3
4
S1 T1
S0
图3：荧光发射示意图
图4：磷光发射示意图
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基础光物理
激发态分子的失能过程(去活化)
振动弛豫 是指在液相或压力足够高的气相中，处于激发态的分子因碰撞将能 量以热的形式传递给周围的分子，从而从高振动级层失活至低振动 能级的过程，属于非辐射跃迁过程
内转换 是指相同多重度的分子，如果较高电子能级的低振动能级与较低电 子能级的高振动能级相重叠时，则电子可在重叠的能级之间通过振 动耦合产生无辐射跃迁，如S2→S1和T2→T1的跃迁
系间窜越 是指不同多重态分子间的无辐射跃迁，例如S1→T1的跃迁。通常是 电子由S1较低振动能级转移至T1较高振动能级。有时，通过热激发 有可能发生T1→S1，然后由S1发生荧光，这是产生延迟荧光的机理
非辐射跃迁：通过热辐射等其它方式而从高能激发态失活到低 能基态的过程
7
基础光物理
荧光（Fluorescence）与光（Phosphorescence）
荧光与磷光产生的光物理过程 激发态分子的失能过程 荧光光谱分析和影响荧光的主要因素 磷光光谱分析和影响磷光的主要因素
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基础光物理—荧光和磷光产生的光物理过程
荧光效率
发光分子数 激发态分子数
荧光寿命：分子荧光从最大亮度I衰减为I/2所用的时间。
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基础光物理——荧光光谱分析
荧光激发光谱与发射光谱
激发光谱：改变激发波长，测量在最大发射波长处荧光强度的变化，激 发波长对荧光强度作图可得到激发光谱。 发射光谱：发射光谱即荧光光谱。以一定波长和强度的激发光辐照荧光 物质，在不同波长处产生不同强度的荧光，荧光强度对其波长作图可得 荧光发射光谱。不同物质具有不同的特征发射峰，因而使用荧光发射光 谱可用于鉴别荧光物质。
三重态淬灭 分子由于系间窜越，由单重态跃迁到三重态，转入三重态的分子在常温下不 发光，就是由于它们与其它分子的碰撞中消耗能量而使荧光淬灭
电子转移反应的淬灭 某些淬灭剂分子与荧光分子相互作用时，发生了电子转移反应
荧光物质的自淬灭 在浓度较高的荧光物质溶液中，单重激发态分子在产生荧光发射前与未激发 的荧光物质碰撞而引起的自淬灭
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基础光物理—激发态的失能过程 碰撞淬灭与静态淬灭的判定依据
碰撞淬灭F0/F和τ0/τ随着淬灭剂浓度的增加而增加，静态淬灭 τ0/τ不随淬灭剂浓度的变化 碰撞淬灭F0/F和τ0/τ随着温度的增加而增加，静态淬灭 F0/F和τ0/τ随着温度的增加而降低
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基础光物理——荧光光谱分析
荧光光谱分析