光致发光材料性能测量的方法

光致发光材料性能测量方法
所谓位形坐标图，就是用纵坐标表示晶 体中发光中心的势能，其中包括电子和离子的 势能以及相互作用在内的整个体系的能量；横 坐标则表示中心离子和周围离子的位形 （Configration），其中包括离子之间相对位 置等因素在内的一个笼统的位置概念。一般的 也可代用粒子间核间距作横坐标。图1 是发光 中心基态的位形坐标示意图。图中连续的曲线 表示势能作为发光中心离子核间距函数的定量 变化关系，它在平衡距离re处有一个极小值， 水平线ν 0、ν 1、ν 2……表示粒子在基态具有 的不同量子振动态。
图2 发光中心基态和激 发态的势能图
应用之三：解释非辐射跃迁
另外，在吸收了光以后，离子晶格有一定 弛豫，故平衡位置re只有统计平均的意义， 实际上是一个极小的区间，因此吸收光谱 PE 就包括许多频率（或波长）而形成宽带。 这就是固体中离子光谱呈带状的原因。 在上述热淬灭现象的那种情况中，激发离 子通过把振动能传递给环境——基质晶格， 而失掉了其剩余的能量，返回到较低的能 级上。这种跃迁过程不发射电磁波，即光， 因而称为非辐 射 跃 迁 （ n o n r e d i a t i v e transition）. 类似这种非辐射跃迁，在敏活磷光体的机 制中还包括一类非辐射能量传递 （nonrediative energy transition）。 图3说明这种情况。
图1 发光中心基态的势能图
应用之一:解释斯托克位移
图2给出了基态和激发态的位形示意 图，由此可以解释发光的许多特性。 激活过程包括电子从基态能级A跃迁 到激发态的较高能级B产生一个活性 中心。依照弗兰克-康登原理，这个 过程体系能量从A垂直上升到B，而 离子的位形基本不变。但在激发态， 由于离子松弛（即位形改变），电 子以热能形式散射一部分能量返到 新激发态能级C形成新的活性中心。 那么，发光过程就是电子从活化中 心C回到原来基态A或D。显然，激活 过程能量Δ EAB>Δ ECA或Δ ECD。这就 解释了斯托克位移。 图2 发光中心基态和激发态的势能图
光致发光原理：位形坐标模
晶体中的离子其吸收光谱与发射光谱与自由离子不同。自由 离子的吸收光谱与发射光谱的能量相同，并且都是窄带谱或锐线 谱（0.01cm-1）。而晶体中离子的发射光谱的能量均低于吸收光谱 的能量，并且是宽带谱。这是由于晶格振动对离子的影响所致。 与发光中心相联系的电子跃迁可以和基质晶体中的原子（离子） 交换能量，发光中心离子与周围晶格离子之间的相对位置、振动 频率以及中心离子的能级受到晶体势场影响等。因此，应当把激 活剂离子及其周围晶格离子看作一个整体来考虑。相对来说，由 于原子质量比电子大得多，运动也慢得多，故在电子跃迁中，可 以认为晶体中原子间的相对位置和运动速率是恒定不变的。这样， 就可以采用一种所谓的位形坐标来讨论发光中心的吸收和发射过 程。
应用之二:解释发光“热淬灭”效应
任何发光材料，当温度升高到一定温度时，发光 强度会显著降低。这就是所谓的发光“热淬灭” 效应（Thermal quenching effect）。利用图2 可以解释这一现象。在图2中，基态和激发态的 势能曲线交叉于E点。在该点，激发态的离子在 能量不改变的情况下就可以回到基态（E也是基 态势能曲线上的一点），然后再通过一系列的改 变振动回到基态的低能级上去。因此，E点代表 一个“溢出点”（Spillorer Point）。如果处 于激发态的离子能获得足够的振动能而达到E点， 它就溢出了基态的振动能级。如果这样，全部能 量就都以振动能的形式释放出来，因而没有发光 产生。显然，E点的能量是临界的。一般说来， 温度升高，离子热能增大，依次进入较高振动能 级，就可能达到E点。
固体激光器
激光器是受激发射光放大器。激光器发射的光就是 激光。 激光束可用于加工高熔点材料，也可用于医疗、精 密计量、测距、全息检测、农作物育种、同位素 分离、催化、信息处理、引发核聚变、大气污染 监测以及基本科学研究各方面，有力地促进了物 理、化学、生物、信息等诸多学科的发展。激光 器按其工作物质可以还分为固体激光器、气体激 光器和液体染料激光器。可见，激光工作物质对 激光器的发展起着决定性的作用。而固体激光晶 体的研究和发展是固体化学的一个重要领域。
光致发光材料的常见应用
荧光灯 LED 激光 夜明设施 生物荧光标记 太阳能电池
荧光灯（日光灯、节能灯）
荧光灯（fluorescent lamp）是一种充有氩气的低气压汞蒸气的气体 放电灯，在低压汞蒸气放电过程中会产生大量的波长为253.7mm的紫 外线，以及少量波长为185nm的紫外线和可见光。在灯管表面涂有荧 光粉，可以将波长为253.7nm的紫外线转化为可见光。 荧光灯按外形结构可以分为两大类：直管型荧光灯和异型荧光灯。按 所涂荧光粉的不同又有日光色、冷色和暖色荧光灯之分。
光致发光材料的原理 和性能表征
专业：微电子与固体电子学
发光的相关概ห้องสมุดไป่ตู้ 光致发光原理
光致发光材料的常见应用
光致发光材料主要特性测量
发光的相关概念
发光就是物质内部以某种方式吸收能量以后，以热辐射以外 的光辐射形式发射出多余的能量的过程。 光致发光(Photoluminescence)是用光激发发光材料引起的 发光现象。 固体吸收外界能量后很多情形是转变为热，并非在任何情况 下都能发光，只有当固体中存在发光中心时才能有效地 发光。发光中心通常是由杂质离子或晶格缺陷构成。发 光中心吸收外界能量后从基态激发到激发态，当从激发 态回到基态时就以发光形式释放出能量。
能量传递
非辐射能量散射 hν 敏活过程 hν ’ 发光过程
敏活剂基态
激活剂基态
图3
应用之四：解释“毒物”作用
某些杂质对发光材料有“毒物”作用，激发光因材料含有 毒物而淬灭。毒物效应往往是以非辐射能传递方式起作用 的：能量或从敏活剂或激活剂传递到毒物上，而后者将能 量以振动能散射到基质晶格中，以致活性中心不能发光。 具有非辐射跃迁的离子有 Fe3+ 、Co2+、Ni2+ 等，因而在制备 磷光材料中应当杜绝这些杂质的存在。
LED
白光LED的制作方案
红、绿、蓝三色LED
实现白光LED生产成本最高，由于三种颜色 的LED 量子效率不同，而且随着温度和驱 动电流的变化不一致，随时间的衰减速度也 各不相同，红、绿、蓝LED 的衰减速率依 次上升。因此，为了保持颜色的稳定，需要 对三种颜色分别加反馈电路进行补偿，导致 电路复杂，而且会造成效率损失。