第二章发光材料及其特征
发光材料
发光材料1原理物质内部以某种方式吸收能量，将其转化成光辐射(非平衡辐射)的过程称为发光；在实际应用中，将受外界激发而发光的固体称为发光材料。
它们可以粉末、单晶、薄膜或非晶体等形态使用，主要组分是稀土金属的化合物和半导体材料，与有色金属关系很密切。
1、当某种物质受到激发（射线、高能粒子、电子束、外电场等）后，物质将处于激发态，激发态的能量会通过光或热的形式释放出来。
如果这部分的能量是位于可见、紫外或是近红外的电磁辐射，此过程称之为发光过程。
2、发光就是物质在热辐射之外以光的形式发射出多余的能量，这种发射过程具有一定的持续时间。
二，结构高纯稀土氧化物Y2O3、Eu2O3、Gd2O3、La2O3、Tb4O7等制成的各种荧光体，广泛应用于彩色电视机、彩色和黑白大屏幕投影电视、航空显示器、X射线增感屏,以及用于制作超短余辉材料、各种灯用荧光粉等。
半导体发光材料有ZnS、CdS、ZnSe和GaP、GaAs1-xPx、GaAlAs、GaN等。
主要用于制造各色大中型数字符号、图案显示器、数字显示钟、X 射线图像增强屏和长寿命各色发光二极管、数码管等。
可见光发光二极管，因显示响应速度快而广泛应用于仪表、计算机，年产量成倍增长，不断取代其他显示器件三．分类发光材料的发光方式是多种多样的，主要类型有：光致发光、阴极射线发光、电致发光、热释发光、光释发光、辐射发光等。
无机材料，有机材料。
．自发光体这种材料经常被当作光致发光物体。
自发光物体在黑暗中可发光，但事先不需要暴露在日光下。
这些材料通常作为表盘上的发光标记以及用于长期发光的物体的制作，它们含有放射性元素。
．磷光物体由于含有磷元素而发光，这种材料也经常被当成光致发光材料。
三．应用1．反光材料这种材料可以将照在其表面上的光迅速地反射回来。
材料不同，反射的光的波长范围也就不同。
反射光的颜色取决于材料吸收何种波长的光并反射何种波长的光，因此必须要有光照在材料表面，材料表面才能反射光，如各种执照牌、交通标志牌等。
固体发光讲义 - 第二章 发光的几个重要特征
第二章发光材料及其特征2-1 发光材料几乎所有的无机固体发光材料都是由两部分组成的。
其一是材料的主要成分，也就是它的主体，在发光学的术语中，称为基质（host）。
其二是有意掺入的少量成分，称为激活剂（activator）。
激活剂对发光的性能有重要的作用，能够影响甚至决定发光的亮度和颜色以及其它性能。
不过它在材料中的浓度却很小，有时少到10-5-10-4克/克。
表示材料的符号，激活剂常写在基质后面，例如ZnS:Cu, ZnS就是基质，Cu是激活剂，也有人把激活剂写在基质前面。
激活剂还可以不止一种。
第二种掺质起改善或改变发光性能的作用，叫共激活剂（co-activator），那些能够明显增强发光强度的另加杂质叫敏化剂（sensitizer）。
有些基质自己就可以发光，但极少实用的无机发光材料是不含激活剂的。
至于有机材料，它们是通过分子而发光。
分子相互之间的作用很弱，因此每个分子基本是孤立的。
它们无论在什么状态下（在液态，固态或作为杂质掺入其它基质中）发光，其特征都不会有很大差别。
无机固体则很少能够独自发光而无需激活剂的。
发光材料一般有三种型态：粉末、薄膜和单晶。
粉末状无机材料是研究和应用的最早、使用量又最大的一种。
日光灯、电视机及计算机的显象管以及X光屏等日常生活随处可见的东西都要用它。
因此在提起发光材料时，人们就常常会认为指的是这种材料，也就是通常所谓的荧光粉。
实际并非如此。
另外是单晶，除了发光二极管和光盘必需的半导体激光管已是众所周知的，还有射线探测用的器件等都是单晶，第一章里已经简单介绍过了，以后还会谈到。
薄膜之类的材料已经研究许多年，已有一些应用。
不过技术上还有待继续发展。
荧光粉是无机材料。
一般需在高温下灼烧。
温度在10000到15000C的范围。
为了生产上节约能源，降低温度是很重要的，所以通常都尽可能使用13000C以下的温度或更低一些。
在灼烧以前，先要设法将各种成分混匀。
有时除基质和激活剂之外，还需加一种熔点较低的物质，叫做助熔剂（flux）。
发光材料类型与性质
这时，基质晶格M吸收激发能，传递 给搀杂离子，使其上升到激发态，它返回 基态时可能有以下三种途径：
①以热的形式把激发能量释放给邻近的晶 格，称为“无辐射弛豫”，也叫荧光猝灭；
②以辐射形式释放激发能量，称 “发光” ；
③S将激发能传递给A，即S吸收的全部 或部分激发能由A产生发射而释放出来，这 种现象称为“敏化发光”，A称为激活剂，S通 常被称为A的敏化剂。
② 稀土化合物作为基质材料
常见的可作为基质材料的稀土化合物 有Y2O3、La2O3和Gd2O3等，也可以稀土 与过渡元素共同构成的化合物作为基质材 料(如YVO4)。
② +4价态稀土离子的光谱特性
+4价态稀土离子和与其相邻的前一个+3 价稀土离子具有相同的4f电子数目。例如， Ce4+和La3+，Pr4+和Ce3+，Tb4+和Gd3+等。
+4价态稀土离子的电荷迁移带能量较低 ，吸收峰往往移到可见光区。
如Ce4+与Ce3+的混价电荷迁移跃迁形成 的吸收峰已延伸到450nm附近，Tb4+的吸收 峰在430nm附近。
辐射的光能取决于电子跃迁前后所在 能带(或能级)之间的能量差值。
在去激发跃迁过程中，电子也可能将一 部分能量转移给其它原子，这时电子辐射的 光能小于跃迁前后电子所在能带(或能级)的 能量差。
⑵ 发光过程
固体发光的物理过程示意图如下：
其中，M表示基质晶格； A和S为搀杂离子； 并假设基质晶格M的吸收不产生辐射。
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。
⑴ 固体发光与晶体内部结构
晶体中的能带有价带、导带、禁带。
第二章光致发光和电致发光的基础知识
20
基础光物理—磷光光谱分析
磷光光谱分析
磷光：基态分子受激后，跃迁到能量较高的能级，再从T1态跃迁回基态
所产生的光辐射（T1 S0 )
磷光主要参数：量子效率、磷光强度、磷光寿命、最大发射波长 磷光强度: IP=2.3 I0Plc = Kc 式中IP-磷光强度，P-磷光效率，I0-激发光的强度，-磷光物质的摩尔吸收
y y y
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？
跃迁到基态所产生的光辐射（S1 S0 )
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)
发光分子数 荧光效率 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。
胶束增稳：利用表面活性剂在临界浓度形成胶束，改变磷光体的微环境、 增加定向约束力，从而减小内转换和碰撞等去活化的几率，提高三重态 的稳定性。
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
发光材料—有机光致发光材料
发光材料—有机光致发光材料王梦娟材料化学09-1 0901130828一:什么是发光发光是一种物体把吸收的能量,不经过热的阶段,直接转换为特征辐射的现象。
1、当某种物质受到激发（射线、高能粒子、电子束、外电场等）后，物质将处于激发态，激发态的能量会通过光或热的形式释放出来。
如果这部分的能量是位于可见、紫外或是近红外的电磁辐射，此过程称之为发光过程。
2、发光就是物质在热辐射之外以光的形式发射出多余的能量，这种发射过程具有一定的持续时间。
其中能够实现上述过程的物质叫做发光材料。
二:发光的类型发光材料的发光方式是多种多样的，主要类型有：光致发光、阴极射线发光、电致发光、热释发光、光释发光、辐射发光等。
其中光致发光又可以分为有机光致发光、无机光致发光等。
三:有机光致发光1、有机发光材料的发光原理有机物的发光是分子从激发态回到基态产生的辐射跃迁现象。
获得有机分子发光的途径很多,光致发光中大多数有机物具有偶数电子,基态时电子成对的存在于各分子轨道。
根据泡林不相容原理,同一轨道上的两个电子自旋相反,所以分子中总的电子自旋为零, 这个分子所处的电子能态称为单重态(2S + 1 = 0) . 当分子中的一个电子吸收光能量被激发时,通常它的自旋不变,则激发态是单重态。
如果激发过程中电子发生自旋反转,则激发态为三重态。
三重态的能量常常较单重态低.当有机分子在光能(光子)激发下被激发到激发单重态(S ) , 经振动能级驰豫到最低激发单重态(S1 ) , 最后由S1 回到基态S0 , 此时产生荧光, 或者经由最低激发三重态( T1 ) , ( S1 - T1 ) , 最后产生T1 - S0 的电子跃迁,此时辐射出磷光。
2、有机发光材料的分类有机发光材料可分为：(1) 有机小分子发光材料；(2) 有机高分子发光材料；(3) 有机配合物发光材料。
这些发光材料无论在发光机理、物理化学性能上，还是在应用上都有各自的特点。
有机小分子发光材料种类繁多，它们多带有共轭杂环及各种生色团，结构易于调整，通过引入烯键、苯环等不饱和基团及各种生色团来改变其共轭长度，从而使化合物光电性质发生变化。
发光材料的基本特性和应用
发光材料的基本特性和应用发光材料是一类具有特殊发光性质的材料。
它们能够在光激发下，通过激发态的激光能够使材料发生较强的光发射。
随着光学和光电学技术的不断发展，发光材料在光电领域中的应用也越来越广泛。
发光材料的基本特性1. 发光原理发光材料能够在外界激发下，从能级较高的激发态跃迁到能级较低的基态，释放出能量。
这个过程中可以通过幅射或非幅射的方式进行，而总的效果是将激发态的能量转化为光发射。
发光材料的发光原理种类较多，在具体应用时需要根据材料的性质和作用场景选择合适的原理。
2. 发光颜色发光材料的发光颜色取决于其所处的能级状态，即材料的电子能带结构。
通常情况下，发光材料的发光颜色与其原子、分子等基本成分密切相关。
例如，红色的荧光材料常常来源于草酸根式的阳离子，而绿色的荧光材料则常常来源于镉硫化物等。
3. 发光效率发光材料的发光效率是评价其性能的一个指标。
一般来说，发光效率越高的材料，其发光亮度就越大。
为了提高发光效率，人们通常会对发光材料进行各种改性，比如加入掺杂物、改变结构等。
发光材料的应用1. LED照明LED（Light Emitting Diode）是当前比较常见的照明方式之一。
它利用半导体材料发光的特性，通过多种工艺制成各种形状和颜色的光源，广泛应用于室内、道路照明以及各种装饰灯具等领域。
2. 显示技术发光材料在显示技术中的应用也比较广泛。
例如，在带有发光背景板的液晶电视机和电子书阅读器中，发光材料用来形成底层光源，提供较强的背光照亮。
3. 光电器件发光材料还可以用于制备各种光电器件。
例如，发光二极管（LED）可用于光纤通信、宽带接入、军工雷达等行业，以及荧光粉、荧光玻璃等材料也被应用于指示灯、计数器、高亮度壁画、高温液体液位显示等领域。
4. 生物医疗在生物医疗领域，发光材料也被广泛应用。
例如，用于生物标记实现免疫分析、诊断分子生物学等分析方法；分析、诊断和治疗人类疾病等。
综上所述，发光材料具有独特的性能和应用优势，是现代光电技术和光电学领域中不可或缺的重要组成部分。
发光材料的种类及其特点
发光材料的种类及其特点
发光材料是指能够通过吸收外部能量，激发出可见光的材料。
根据不同的激发方式和发光原理，发光材料可以分为以下几类：
1.稀土发光材料
稀土发光材料是指利用稀土元素的特殊电子结构，在外部刺激下产生光发射的现象。
这类材料具有较高的发光效率和色纯度，被广泛应用于显示、照明、光电器件等领域。
常见的稀土发光材料包括稀土荧光粉、稀土激光晶体等。
2.荧光粉
荧光粉是指通过吸收紫外光或蓝紫光等短波长的能量，将其转化为可见光的材料。
荧光粉的发光效率高，色纯度好，因此在显示器、照明等领域得到广泛应用。
根据激发方式的不同，荧光粉可以分为热激活型和光激活型两类。
3.光致发光材料
光致发光材料是指通过光子的吸收和辐射来发光的材料。
这类材料可以在紫外线、可见光、红外线等波长范围内使用，因此被广泛应用于各种光电效应器件中。
光致发光材料的发光效率、色纯度和稳定性等性能与材料的能级结构、杂质和缺陷等密切相关。
4.电致发光材料
电致发光材料是指通过电场的作用激发出电子，电子与发光中心碰撞产生光辐射的材料。
这类材料具有直接发光、高亮度、低能耗等优点，因此在显示器、照明、光电传感器等领域得到广泛应用。
电致
发光材料的性能与材料的能带结构、杂质和缺陷等密切相关。
5.化学发光材料
化学发光材料是指通过化学反应产生光的材料。
这类材料通常由两种化学物质组成，它们在相遇时会产生化学反应并释放出能量，这种能量以光的形式释放出来。
化学发光材料具有高灵敏度、低检测限等优点，因此在分析化学、生物医学、环境监测等领域得到广泛应用。
固体发光讲义 - 第二章 发光的几个重要特征
第二章发光材料及其特征2-1 发光材料几乎所有的无机固体发光材料都是由两部分组成的。
其一是材料的主要成分，也就是它的主体，在发光学的术语中，称为基质（host）。
其二是有意掺入的少量成分，称为激活剂（activator）。
激活剂对发光的性能有重要的作用，能够影响甚至决定发光的亮度和颜色以及其它性能。
不过它在材料中的浓度却很小，有时少到10-5-10-4克/克。
表示材料的符号，激活剂常写在基质后面，例如ZnS:Cu, ZnS就是基质，Cu是激活剂，也有人把激活剂写在基质前面。
激活剂还可以不止一种。
第二种掺质起改善或改变发光性能的作用，叫共激活剂（co-activator），那些能够明显增强发光强度的另加杂质叫敏化剂（sensitizer）。
有些基质自己就可以发光，但极少实用的无机发光材料是不含激活剂的。
至于有机材料，它们是通过分子而发光。
分子相互之间的作用很弱，因此每个分子基本是孤立的。
它们无论在什么状态下（在液态，固态或作为杂质掺入其它基质中）发光，其特征都不会有很大差别。
无机固体则很少能够独自发光而无需激活剂的。
发光材料一般有三种型态：粉末、薄膜和单晶。
粉末状无机材料是研究和应用的最早、使用量又最大的一种。
日光灯、电视机及计算机的显象管以及X光屏等日常生活随处可见的东西都要用它。
因此在提起发光材料时，人们就常常会认为指的是这种材料，也就是通常所谓的荧光粉。
实际并非如此。
另外是单晶，除了发光二极管和光盘必需的半导体激光管已是众所周知的，还有射线探测用的器件等都是单晶，第一章里已经简单介绍过了，以后还会谈到。
薄膜之类的材料已经研究许多年，已有一些应用。
不过技术上还有待继续发展。
荧光粉是无机材料。
一般需在高温下灼烧。
温度在10000到15000C的范围。
为了生产上节约能源，降低温度是很重要的，所以通常都尽可能使用13000C以下的温度或更低一些。
在灼烧以前，先要设法将各种成分混匀。
有时除基质和激活剂之外，还需加一种熔点较低的物质，叫做助熔剂（flux）。
发光材料的物理性质及应用
发光材料的物理性质及应用发光材料是一种非常特殊的材料，在受激发而发光的过程中释放出能量。
它们是许多现代技术中必不可少的组成部分，包括照明、电视显示、计算机显示、生物荧光探测等。
在本文中，我们将重点探讨发光材料的物理性质及其应用。
发光机理发光材料受到外部激发时会吸收能量，然后通过一个称为激发态的过渡状态向低能级转移并发光。
发光机理可以通过原子、分子和晶体中不同的过渡状态来描述。
其中，原子的发光是由电子在激发态向基态跃迁引起的，电子在这个过程中释放出能量，形成发光。
分子和晶体的发光则是由于电子和转移发生在分子或晶体中的整个系统上。
在这些情况下，分子或晶体的内部结构决定了发光的能量和波长。
一般来说，有机和无机发光材料的分子结构和化学成分具有很大的区别。
有机和聚合物发光材料通常由一个共轭环系统组成，如苯环。
这种共轭结构可以形成高度稳定的电子态，可以在吸收光子时形成激发态。
由于这种发光方式是由分子中的整个系统来决定的，因此可以通过改变分子的大小、形状和共轭程度来调节其光学性质。
相反，无机发光材料通常是由金属离子和非金属离子组成的晶体，它们的发光是由于离子之间的电子转移引起的。
这意味着无机发光材料的发光性质是由它们的晶体结构和离子的电性质来决定的。
应用领域随着对发光材料的进一步研究，发现它们在许多领域有着重要的应用。
以下是几个常见的应用领域。
1、照明发光二极管（LED）是当今最为常见的照明器件之一。
它内部的半导体材料通过电子的注入和复合来发光。
由于LED的亮度、寿命、能效优势明显，已经在照明领域广泛应用，成为照明技术的主流。
2、显示器发光材料在显示器技术中也扮演着重要的角色。
液晶显示器（LCD）中，液晶屏幕工作时需要后光源的照明。
因此，发光材料常被用于液晶显示器中的背光源模块中。
这种背光源模块通常使用高亮度和长寿命的白光LED，而不是使用传统的荧光灯管。
3、生物荧光探测发光材料也被广泛应用于生物荧光探测。
荧光探针通常是由有机分子或金属配合物构成的，它们受到激发后可以发光，并且在荧光成像和生物分子检测中广泛使用。
发光材料课件
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研发具有更高发光效率、更低能耗、更稳定性能的发光材料，以满足不断升级的市场需求。
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01
02
03
04
通过技术创新和产品质量提升，树立良好的品牌形象，提高品牌知名度和美誉度。
积极探索发光材料在不同领域的应用，如显示、照明、生物医学等，拓展市场份额。
05
CHAPTER
发光材料应用领域及案例分析
LED显示
发光二极管（LED）是显示领域中发光材料的重要应用之一。LED显示屏具有高亮度、长寿命、低能耗等优点，广泛应用于广告牌、交通信号灯、电视屏幕等领域。
OLED显示
有机发光二极管（OLED）是一种具有自发光的显示技术，具有高对比度、宽视角、快速响应等优点。OLED显示屏在智能手机、电视、电ED）照明具有高效、节能、环保等优点，逐渐替代传统照明方式。LED灯具广泛应用于室内外照明、城市亮化工程等领域。
荧光灯照明
荧光灯是一种利用荧光粉发光的照明设备，具有发光效率高、寿命长等优点。荧光灯在家庭照明、办公室照明等领域得到广泛应用。
06
CHAPTER
发光材料发展趋势与挑战
发光材料：发光材料基本知识资料
?II ? VI族化合物发光材料： ZnS : Cu ?；CaS : Bi 3? ? ?III ? V族化合物发光材料： GaN
??氧化物发光材料： Y2O 3 : Eu 3?
?硫氧化物发光材料： ?
Y2O 2S :
Eu
3?
?铝酸盐发光材料： (Ce , Tb )MgAl 11O 19
?? 磷酸盐发光材料：
1.7 发 光 材 料 中 的 杂 质
猝灭剂（毒化剂）：损害发光性能、使发光亮度降低 的杂质。如，ZnS 中的Fe 2+、Co 2+、Ni2+ 等。
惰性杂质：对发光性能影响较小、不对发光亮度和颜 色起直接作用。如，碱金属、碱土金属、硅酸盐、硫酸盐 和卤素等。
同一杂质对不同的发光材料可以有完全不同的作用。 如，Cu 是硫化物荧光粉的激活剂，同时又是硅酸锌、硼 酸镉荧光粉的猝灭剂；又如，Ce是超短余辉材料的激活剂， 又是红光材料Y2O3:Eu 的猝灭剂。
余辉时间 >1s 100ms~1s 1~100ms 10μs~1ms 1~10μs <1μs
电视用荧光粉需要中短余辉，雷达用荧光粉需要长或 极长余辉，飞点扫描管中用的荧光粉需要超短余辉。
1.7 发 光 材 料 中 的 杂 质
按杂质作用性质的不同，可以把它们分为： 激活剂：对某种特定的化合物（激发光材料的 基质） 起激活作用，使原来不发光或发光很弱的材料产生发光。 如，掺入到ZnS中的Cu +、Ag+、Mn 2+。
1.5 上 转 换 发 光 和 级 联 发 射
反Stokes 发光（上转换发光 ）—— 发射光子的能量 大于激发光子的能量
反Stokes
发光 ??? 通通过过吸从收晶两格个振激 动发 取光 得子 能
第二章 发光材料及其特征
28
高场电致发光分类
基于高场下的电致发光现象所制成的器件，根据发光物 质的形态和驱动电压波形可分为四类：
分辨率高、矩阵驱动 交流薄膜电致发光寿命长（>20000h) 可实现彩色化及全色显示 交流驱动 液晶背光源 交流粉末电致发光发光效率高（1－5） lm/W 寿命短（2500）h 直流薄膜电致发光——可靠性差 直流驱动 低压矩阵驱动 直流粉末电致发光 可实现彩色化
24
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电致(场致)发光材料
Electroluminescence 电致发光是由直流或交流电场作用在物质上所产生的 发光现象，电能直接转变为光能，且无热辐射产生。 电致发光机理：
1. 本征式电致发光 2. 注入式电致发光
26
本征式电致发光
ITO
ITO：InSnO2，Indium Tin Oxide
30
电致发光的物理过程
电致发光中，只有通过一定的电场分布，引起发光材料中载流 子的速度和能量分布发生变化，才能引起碰撞激发或离化发光中 心，然后复合发光。 (a). 在电场作用下，发光层与绝缘层界面能级处束缚的电子隧穿 发射至发光层； (b). 发光层中杂质和缺陷也电离，部分电子连同隧穿电子在电场 作用下被加速； (c). 当其能量增大到足够大时，碰撞激发发光中心，从而实现发 光； (d). 电子在穿过发光层后，被另一侧的界面俘获。
3. 发光持续时间特征
5
发光持续时间特征
规定当激发停止时，其发光亮度L衰减 到初始亮度L0的10%时所经历的时间为 余辉时间，简称余辉。
人眼能够感觉到余辉的长发光期间者为磷光； 人眼感觉不到余辉的短发光期间者为荧光。 荧光与磷光无严格区别。 极短余辉：余辉时间<1µs的发光； 短余辉： 余辉时间1~10µs的发光； 中短余辉：余辉时间10-2～1ms的发光； 中余辉： 余辉时间1～100ms的发光； 长余辉： 余辉时间10-1～1s的发光； 极长余辉：余辉时间>1s的发光
发光材质知识点总结
发光材质知识点总结一、发光材料的种类发光材料按其发光原理可分为荧光材料、磷光材料、夜光材料和激光材料。
这些发光材料各有其特点，适用于不同的场合和需求。
荧光材料是一种通过吸收紫外光或蓝光而发射可见光的材料。
其发光原理是在吸收光子能量后，电子受激跃迁至激发态，再从激发态返回基态时释放出可见光。
常见的荧光材料有荧光粉和发光二极管。
荧光粉是一种微粒状的荧光材料，可以通过不同的配方来调配出不同颜色的荧光效果。
发光二极管是一种通过半导体材料加工制成的发光材料，具有较高的发光效率和色彩饱和度。
磷光材料是一种通过吸收光能而发射长波长光的材料。
其主要原理是通过吸收紫外光或蓝光激发磷光材料的电子，电子再跃迁回基态时释放出光子。
磷光材料被广泛应用于荧光灯、LED背光源等领域。
夜光材料是一种在光照条件下能够吸收光能，并在暗处发出光的材料。
其主要原理是利用光能激发材料内部的发光中心，当光照停止时，发光中心释放出光，产生所谓的“夜光”效果。
夜光材料在安全标识、夜光钟表、夜光开关等领域有广泛应用。
激光材料是一类能够通过受激辐射产生激光的材料。
其主要原理是在受到外界能量激发后，激光材料内原子或分子得到激发，形成受激辐射，产生相干的光线。
激光材料有机晶体、半导体材料等，被广泛应用于激光器、光通信等领域。
二、发光材料的特性1. 发光亮度发光亮度是评价发光材料性能的重要指标。
发光材料的发光亮度取决于其自身的发光强度和色彩饱和度。
通常情况下, 发光材料的发光亮度越高, 其可见性和适用性就越好。
2. 光谱特性光谱特性是评价发光材料色彩性能的重要指标。
发光材料的光谱特性主要包括光谱线型、发光波长、半峰宽度等。
优质的发光材料应该有较窄的光谱线型和较高的光谱纯度，以确保色彩的准确性和稳定性。
3. 光电性能光电性能是评价发光材料发光和光电转换性能的重要指标。
发光材料的光电性能直接影响其发光效率和使用寿命。
一般来说，优质的发光材料应该具有较高的发光效率和较长的使用寿命。
发光材料与器件基础
譬如，n型半导体可以向导带提供足够的电子，但在价带中没有空穴，
因此不会发光。同样，p型半导体价带中有空穴，但其导带中却没有电
子，因此也不会发光。如果将n型半导体和p型半导体结合在一起形成一
个p-n结，那么可以在p-n结处促使激发态电子（来自n型半导体导带）
和空穴（来自p型半导体价带）复合。我们在p-n结处施加一个正偏向压，
跃迁。具有较大的理化能的施主杂质所发生的D→V跃迁应当低于能隙很
多，这就是深施主杂质跃迁 D→V过程。
C
C
C
E
D
DD
电子泵抽运造成 的电子-空穴对
DA
A
V
8
20V24/1/21V
V
V 电信系光电工程专业
2.2 固体光吸收的本质
C→A过程 本征半导体导带中的一个电子落在受主杂质原子上，
并使受主杂质原子电离化，这个过程的能量为Eg—EA。例如对GaAs来 说，许多受主杂质的EA为0.03ev，所以C→A过程应发生在1.49ev处。 实际上，在GaAs的发光光谱中，已观察到1.49ev处的弱发光谱线，它
图2.6 光导电晶体中载流子的生成和消失
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电信系光电工程专业
2.2 固体光吸收的本质
这样有光辐射激发产生的载流子，一方面在负荷中心消失掉，另一方面 在电场作用下可以移动一段距离后，再被陷阱俘获。如果外电场强度大， 则载流子再被陷阱所俘获之前在晶体中飘移的距离长、光电流强，但会 有一个饱和值（即初级光电流的最大值），图2.7为AgBr的情况。
电信系光电工程专业
2.2 固体光吸收的本质
图2.4 离子晶体的各种吸收光谱示意
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发光材料化学知识点总结
发光材料化学知识点总结1. 发光材料的基本原理发光材料的发光机理主要有激活态退火、电子跃迁、荧光共振能量转移等。
其中，激活态退火是最基本的发光机理，它是指激活态的能量转化为可见光的过程。
在这一过程中，激活态的能量由高能级向低能级转移，差值能量转化为光能，从而产生发光。
2. 发光材料的分类根据发光机理和使用范围，发光材料可以分为无机发光材料和有机发光材料两大类。
其中，无机发光材料主要包括稀土发光材料、半导体发光材料和夜光材料等；有机发光材料主要包括荧光染料、有机发光分子和有机发光聚合物等。
3. 无机发光材料的特点（1）稀土发光材料稀土发光材料是指以稀土元素为主要掺杂离子的发光材料。
它具有发光强度高、发光色彩丰富、发光时间长等特点，广泛应用于LED、显示器、荧光体系等领域。
（2）半导体发光材料半导体发光材料是指以半导体材料为基础的发光材料。
它具有尺寸小、发光效率高、发光波长可调等特点，是目前LED制备的主要材料。
（3）夜光材料夜光材料是指在光照条件下能够吸收光能，并在光照消失后以可见光形式慢慢释放出来的发光材料，它广泛应用于夜光表盘、夜光玩具等方面。
4. 有机发光材料的特点（1）荧光染料荧光染料是指具有荧光性质的有机分子化合物，它具有发光效率高、发光波长可调、化学稳定性好等特点，在生物成像、光学传感、显示器等领域有着广泛的应用。
（2）有机发光分子有机发光分子是指具有特定结构的有机分子，在受到外界激发后能够产生发光。
它通常具有较大的摩尔吸光系数和摩尔发光系数，因此在荧光探针、荧光标记、生物成像等方面有重要应用。
（3）有机发光聚合物有机发光聚合物是指由含有发光基团的聚合物合成而成的材料，它具有柔韧性好、加工性强、发光波长可调等特点，在柔性显示器、照明器件等方面有广泛应用。
5. 发光材料的制备方法发光材料的制备方法主要包括溶液法、溶胶-凝胶法、蒸发法、固相法、激光化学气相沉积法等。
在这些方法中，溶液法是最常用的制备方法，它具有简单、成本低、可扩展性强等优点。
固体发光复习大纲
2009-2010固体发光学复习提纲第一章概论1. 发光的定义。
发光的种类（按激发方式分）2. 表色系：CIE色坐标和CIE-xy色度图的意义。
R(红)G(绿)B(蓝)W(白)各色的色坐标的大致范围。
3. 视见函数和亮度。
Stokes定律。
4. 发光材料（详见附录）5. 发光的应用，特别注意那些重要的或有广泛应用的方面。
6. 发光中的物理问题。
第二章发光材料及其特征1.发光材料的三种形态。
哪些应用使用粉末材料？哪些使用单晶，哪些用薄膜？2.什么叫基质，激活剂，敏化剂？3.发光的几个基本特性的定义。
它们所代表的物理过程。
激发光谱的意义。
光谱的宏观表示和微观量的关系。
4.P18 根据图2.12推导式(2.16）和(2.17)。
5.发光衰减的两种主要的表示形式。
它和微观过程的关系。
6.发光效率的几种表示。
量子效率和衰减常数的关系。
第三章群论简介1．群的表示。
不可约表示。
特征标。
2．对称群举例。
3．群表示的基函数。
4．表示是否可约的判据。
5．能级的简并。
微扰产生的能级分裂。
第四章分立中心发光和复合发光1.自由离子的能级结构和光谱项2．晶格场的作用。
能级分裂的物理图象。
3．3d 电子的能级分裂的特点。
Dq 的意义。
Tanabe-Sugan图。
分裂能级的符号及其所代表的意义4．稀土离子能级。
泡利不相容原理，能量最低原理和Hund 定则。
如何利用它来确定基态。
4f-4f跃迁禁戒的原因。
解除禁戒的条件。
第五章晶格弛豫与无辐射跃迁1. 位形坐标模型的物理意义。
它能说明或解决的一些物理现象。
如：电子-声子相互作用，Stokes频移，发光线形，光谱的温度依赖关系和发光的温度猝灭。
2. 晶格与电子相互作用的含义。
Frank-Condon 原理（具体波动方程解法不要求全都都能理解）。
用位形座标模型来说明黄昆因子的物理意义。
第六章发光动力学1. 分立中心发光的激发和衰减2. 复合发光衰减的能带模型3. 复合发光的衰减规律。
发光材料知识点总结
发光材料知识点总结一、发光材料的分类根据发光原理的不同，发光材料可以分为发光半导体材料、荧光材料和磷光材料等。
（一）发光半导体材料发光半导体材料是指通过半导体材料产生发光的材料，它主要包括LED（发光二极管）和激光二极管。
LED是一种发光原理基于固态半导体的发光装置，它利用半导体间直接或间接的能带跃迁产生光。
激光二极管则是利用半导体的受激发射原理产生光，它具有单色性好以及发光亮度高的特点。
（二）荧光材料荧光材料是一种能够吸收电磁辐射并在短时间内辐射出长波长光的材料，它包括有机荧光材料和无机荧光材料两种。
有机荧光材料是指那些由有机化合物制备的具有荧光性质的材料，如有机染料。
无机荧光材料则是指由无机材料组成的具有荧光特性的材料，如磷光材料。
（三）磷光材料磷光材料是一种能够吸收辐射能量并发光的材料，其发光基本上是由能量从辐射源传递到发光粒子（通常是磷酸盐）中的离域电子所激发产生的。
磷光材料广泛应用于荧光灯和LED照明领域。
二、发光材料的发光原理发光材料的发光原理主要包括激子复合发光、激子激子复合发光、电子-空穴复合发光、电子-空穴复合与电荷掺杂复合发光等。
（一）激子复合发光激子复合发光是指半导体材料中发生的电子和空穴相遇形成激子，激子在短时间内发出光子，产生发光的原理。
在这个过程中，激子的能级和空穴能级之间的跃迁产生了发光。
（二）激子激子复合发光激子激子复合发光是指两个激子相互结合后，产生能量减少的情况，这个过程中发出了光子，产生了发光现象。
这种发光原理在一些稀土元素掺杂的半导体材料中很常见。
（三）电子-空穴复合发光电子-空穴复合发光是指在半导体材料中，电子和空穴自由复合产生了光子，从而产生了发光现象。
这个过程是通过激发作用产生了电子和空穴，而后它们自由复合产生了光。
（四）电子-空穴复合与电荷掺杂复合发光电子-空穴复合与电荷掺杂复合发光是指在半导体材料中，电子-空穴复合发光的同时，还发生了掺杂材料能级的跃迁，产生了另一种发光现象。
发光材料
发光材料一、发光材料简介人类很早就注意到存在于自然界中的发光材料，从17世纪开始，发光现象才逐渐成为实验科学的研究对象。
1852年，斯托克斯（Stocks）提出关于光致发光的第一个规律：发射光波长恒大于激光光波长，即发射光相对于激发光出现斯托克斯位移（荧光光谱较相应的吸收光谱红移）。
1867年Becquerel研究了红宝石的光谱特性。
1878年，有人报道了低气压下正空放电引起的玻璃管壁发光的现象，由此引发了对阴极射线发光的研究。
19世纪末20世纪初，对于发光的研究引发了物理学两个重大发现：X射线和天然放射性。
伦琴通过对BaPt（CN）4的研究发现了X射线，贝壳勒则通过硫酸钾铀发现了核辐射。
以后，1905年爱因斯坦用光子的概念揭示了斯托克斯规律的意义。
1913年玻尔提出了原子结构的量子理论，为发光物理奠定了理论基础。
X射线激发的荧光材料CaWO4已被长期应用于医用X射线照相中。
此外人们还利用CaWO4的发光特性寻找钨矿，这可以认为是发光材料最早的实际应用。
目前，发光材料任广泛地应用于荧光灯（查看与荧光灯有关的内容）领域，它是利用充于玻璃管中的低压汞放电产生的紫外线，激发涂于玻璃管壁的发光粉，而将紫外辐射转换为可见光的照明器件。
近年来，稀土离子的引入使得荧光粉的流明效率和显色性能得到显著提高，促进了荧光灯的飞速发展。
发光材料用量占第二位的是电视机、计算机等显示器件。
除此以外，发光材料还用于示波器和雷达荧光屏，以及电子-光学转换器、核辐射显示器和X射线屏。
发光材料对于制作瞬时发光和永久发光涂料也是必要的材料，还可用于事故及隐蔽发光指示器上，同样也可用于装饰，涉及各个领域，应用范围十分广阔。
发光材料又称发光体，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。
光辐射有平衡辐射和非平衡辐射两大类，即热辐射和发光。
任何物体只要具有一定的温度，则该物体必定具有与此温度下处于热平衡状态的辐射（红光、红外辐射）。
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电致发光的物理过程
电致发光中，只有通过一定的电场分布，引起发光材料中载流 子的速度和能量分布发生变化，才能引起碰撞激发或离化发光中 心，然后复合发光。
(a). 在电场作用下，发光层与绝缘层界面能级处束缚的电子隧穿 发射至发光层； (b). 发光层中杂质和缺陷也电离，部分电子连同隧穿电子在电场 作用下被加速； (c). 当其能量增大到足够大时，碰撞激发发光中心，从而实现发 光； (d). 电子在穿过发光层后，被另一侧的界面俘获。
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相关名词解释
光通量
光通量是指光源在单位时间内向周围空间辐射的能引起 视觉反应能量，即可见光的能量。
它描述的是光源的有效辐射值，其国际单位是1m（流 明）。 同样功率的灯具的光通量可能完全不同，这是因为它们 的光效不同的缘故。比如：普通照明灯泡只有10 1m/W， 而金属卤素灯可以达到80 1m/W。
射线致发光材料
热致发光材料
等离子发光材料
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光致发光材料
Photoluminescence
吸收光谱
光的吸收系数随波长或频率的变化关 系曲线，称为吸收光谱。
激发光谱
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表示用不同波长的光激发材料时，使 材料发出某一波长光的效率。
发光过程
(1) 基质晶格或激活剂（或称发光中心）吸收激发能;
(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一定波长的光而返回基态， 同时伴随有部分非发光跃迁，能量以热的形式散 发。
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Tm：铥
吸收雪崩
该现象易发生在基态对激发光的吸收比 激发态弱，而且离子间相互作用强的体 系中。 由于基态吸收比较弱，开始时 激发态E1上的电子数不多，达 到E2上的电子也不多，上转换 发光较弱。
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但处于激发态E2的离子和处于 基态G的另一个离子相互作用， 发生交叉弛豫，A离子E2上电 子跃迁到E1，同时B离子基态 的电子跃迁到E1，导致E1的电 子数增加了2个。此过程使E1 上的电子数目倍增，于是，从 E1跃迁到E2的电子数目也倍增， 上转换发光加强。
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本征式电致发光
ITO
ITO：InSnO2，Indium Tin Oxide
ZnS:Cu,Cl或 (Zn,Cd)S:Cu,Br
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本征式电致发光：利用电场直接激励电子，高能电子 与空穴复合而发光。电子的能量来自数量级为108V/m 的高电场，因此这种发光现象称为高场电致发光。
注入式电致发光
在低场下由电子－空穴对在pn结附近复合而产生的发光现 象。 由于电子和空穴的扩散作 用，在p-n结接触面两侧形 成空间电荷区（称为耗尽 层），形成一个势垒，阻 碍电子和空穴的进一步扩 散。 加上正向电压时，势垒高 度降低，耗尽层减薄，能 量较大的电子和空穴分别 注入到p区或n区，同p区的 空穴和n区的电子复合，同 时以光的形式辐射出多余 的能量。
上转换发光可以由激发态 吸收或连续能量传递产生。
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例：
上转换发光的激
发过程：
第1个光子将电子激 发到3F2能级，由于 3F 、3F 、3H 相距很 2 3 4 近，电子很快弛豫到 3H 。在此，它可能 4 吸收第2个光子跃迁 至1D2；也可能跃迁 到基态或3F4发出红外 光。3F4上的电子吸收 第2个光子跃迁到1G4， 1G 上的电子吸收第3 4 个电子跃迁到3P1，然 后弛豫到1I6，再…
发光与激发方式无关
对应于不同的吸收的能量来源： 物理能、机械能、化学能、生物能等 相应地有： 物理发光、机械发光、化学发光、生物发光等。
2
材料的发光机理
分立中心发光
复合发光
分立中心发光
发光材料的发光中心受激发 时并未离化，发光过程全部 局限在中心内部。被激发的 发光中心内的电子虽然获得 了跃迁至激发态的能量，但 并未离开中心，迟早会释放 出激发能，回到基态而发出 光来。 这种发光是单分子过程，并 不伴随有光电导，故又称为 “非光电导型”发光。
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交流粉末电致发光器件结构：
Al ELECTRODE INSULATOR
绝缘层的作用： 1. 消除不希望有的漏电流 2. 在高电场下不会击穿 绝缘层使用高介电常数和 高介电强度的材料： Y2O3、Si3N4、Al2O3等。
PHOSPHOR (50-100μ m )
ITO ELECTRODE
PLASTIC SUBSTRATE
光致发光材料
发光材料在光（紫外光、红外光、可见光等） 照射下激发发光。 发光材料在电流作用下的激发发光，如 LED/OLED。 发光材料在电子束或其它射线束的轰击下的 激发发光。 又称热释发光，发光材料在热作用下的激 发发光。 发光材料在等离子体作用下的激发发光，如 稀有气体、汞、钠等。
电致发光材料
3. 发光持续时间特征
5
发光持续时间特征
规定当激发停止时，其发光亮度L衰减 到初始亮度L0的10%时所经历的时间为 余辉时间，简称余辉。
人眼能够感觉到余辉的长发光期间者为磷光； 人眼感觉不到余辉的短发光期间者为荧光。 荧光与磷光无严格区别。 极短余辉：余辉时间<1s的发光； 短余辉： 余辉时间1~10s的发光； 中短余辉：余辉时间10-2～1ms的发光； 中余辉： 余辉时间1～100ms的发光； 长余辉： 余辉时间10-1～1s的发光； 极长余辉：余辉时间>1s的发光
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高场电致发光分类
基于高场下的电致发光现象所制成的器件，根据发光物 质的形态和驱动电压波形可分为四类：
分辨率高、矩阵驱动 交流薄膜电致发光 寿命长（>20000h) 可实现彩色化及全色显示 交流驱动 液晶背光源 交流粉末电致发光 发光效率高（1－5lm/W） 寿命短（ 2500h） 直流薄膜电致发光——可靠性差 直流驱动 低压矩阵驱动 直流粉末电致发光 可实现彩色化
Pe
E kT
若温度T大，则P大，即导带中的电子数 目增多，复合的次数增多，发光增强。 陷阱中的电子数目是有限的，这些电子 耗尽了，即使继续升温，也没有可以参 与复合的电子，因此不再发光。 陷阱可有不同深度，使电子释放出来所 需的温度就有高有低。
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上转换发光
如果一个激发光光子产生 一个发射光光子，发射光 子的能量必然不会大于激 发光光子的能量。 如果发光材料能够吸收两 个或多个光子而产生一个 光子，可能发射出波长短 的光，这种现象称为上转 换发光。
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碰撞离化
电致发光的一种重要的激发机构。
在碰撞离化过程中电场的能量直接转变成晶体中电子的能 量，使得电子能量分布发生变化，处在导带中的电子在电 场加速下达到较高的能量状态，并与发光中心碰撞而离化， 即形成了激发态。当电子从这些能量较高的激发态再跃迁 回到原来能量较低的状态时，就可能产生各种辐射复合发 光。 在发光层中，过热电子碰撞激发发光中心的几率取决于发 光中心的横截面大小、发光中心的空间密度和电子达到碰 撞激发阈值能量的几率。器件的效率则取决于发光中心、 基质晶格和绝缘层的性质以及器件工作的方式。
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热释发光
当激发发光体后，发光将逐渐衰减，直至发光消失。随后， 逐渐升高发光体的温度，有的发光材料又会逐渐发光，并逐 渐变强，在某一温度时达到最大值后又逐渐变弱，这种变化 随着温度的上升，可以重复几次，直到高温时发光才消失。 在材料的禁带中，存在着不同深度的陷 阱。在激发过程中，有的电子就掉进了 这些深度不同的陷阱。陷阱中的电子回 到导带的几率为：
上转换发光的另一种机制：逐次传递能量。
双掺杂体系：一种为能量的供体；一种为能量的受体
受体
供体
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量子剪裁
一个高能量的紫外或真空紫外光子变成两 个能量较低的可见光光子的现象称为量子 剪裁，或称为量子劈裂或光子级连发射。
如（a）图，一个可 见光光子的产生以消 耗一个高能光子为代 价，即使量子效率接 近100%，能量效率 也比100%小很多。
自发发光：受激发的粒子 （如电子），受粒子内部 电场作用从激发态A而回 到基态G时的发光。 受迫发光：受激发的电子 只有在外界因素的影响下 才发光（亚稳态发光）。
3
复合发光
发光材料受激发时分离出一对带异号电荷的粒子，一 般为空穴和电子，这两种粒子复合时便发光，称为复 合发光。 由于离化的带电粒子在发光材料中漂移或扩散，从而 构成特征性光电导，故又称为“光电导型”发光。
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色 温
色温是指光源发射的颜色与黑体在某一温度下辐射的光 色相同时，黑体的温度称为该光源的色温，一般以开氏K 为单位。比如3200K和5600K等。 色温高，光线的颜色偏冷：色温低，光线的颜色偏暖： 色温适中时，光线接近于白色。
自然界正常日照下，光线的色温一般都要高于人工灯具的色温。通 常情况下，阳光的色温为5600K左右，而演播室及演出用灯具的色温 都在3200K左右。（热光源）
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A：激活剂
S：敏化剂（能强烈地吸收激发能，然 后将能量传递给激活剂）
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（1）导带电子与俘获的空穴 复合
（2）俘获的电子与价带的空 穴复合
（3）激发能传给孤立中心， 发光跃迁在分立的中心内部 （4）导带中的电子直接与价 带中的空穴复合 （5）俘获的电子与俘获的空 穴复合
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斯托克斯规则
发光波长总是大于激发波长。即发光的光子能量必 然小于激发光的光子能量。 用紫外线激发发光材料时，可得到可见光区域的各 种颜色的光。 用蓝光激发，只能得到红光、橙光，至多是绿光。 若周围环境的振动能比较高，而发光中心的激发态所 处的振动能级比较低，此时发光中心有可能得到一部 分振动能而升到比较高的激发态。从激发态到基态的 跃迁所伴随的发光的能量就比激发能量高，发光的波 长比激发光的波长短，称为反斯托克斯发光。 激光致冷就是利用反斯托克斯现象不断将物体的振动 能以光的形式发射出去，使物体温度降低。
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照 度