光致发光和电致发光谱概述
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光致发光(PL)光谱
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图1 半导体中各种复合过程示意图（a）带间跃迁（b）带－ 杂质中心辐射复合跃迁（c）施主－受主对辐射复合跃迁
在这个过程中，有六种不同的复合机构会发射光 子，它们是： （1）自由载流子复合 —— 导带底电子与价带顶空穴 的复合； （2）自由激子复合 —— 晶体中原子的中性激发态被 称为激子，激子复合也就是原子从中性激发态向基态 的跃迁，而自由激子指的是可以在晶体中自由运动的 激子，这种运动显然不传输电荷； （3）束缚激子复合 —— 指被施主、受主或其他陷阱 中心(带电的或不带电的)束缚住的激子的辐射复合，其 发光强度随着杂质或缺陷中心的增加而增加；
1. 定义：所谓光致发(Photoluminescence)指的是以光 作为激励手段，激发材料中的电子从而实现发 光的过程。它是光生额外载流子对的复合过程 中伴随发生的现象
2. 基本原理：由于半导体材料对能量高于其吸收限的光 子有很强的吸收，吸收系数通常超过104cm-1，因此在 材料表面约1μm厚的表层内，由本征吸收产生了大量的 额外电子-空穴对，使样品处于非平衡态。这些额外载 流子对一边向体内扩散，一边通过各种可能的复合机构 复合。其中，有的复合过程只发射声子，有的复合过程 只发射光子或既发射光子也发射声子
与业资料图图2光致发光光谱测量装置示意图激光器电源激光器样品室样品反射镜滤光片透镜透镜单色仪狭缝光电倍增管锁相放大器计算机真空泵制冷仪与业资料三光致发光特点?光致发光分析方法的实验设备比较简单测量本身是非破坏性的而丏对样品的尺寸形状以及样品两个表面间的平行度都没有特殊要求
光致发光(PL)光谱
6复合，这种过程中的辐射复合几率很小。
2021/10/10
在上述辐射复合机构中，前两种属于本 征机构，后面几种则属于非本征机构。由此 可见，半导体的光致发光过程蕴含着材料结 构与组份的丰富信息，是多种复杂物理过程 的综合反映，因而利用光致发光光谱可以获 得被研究材料的多种本质信息。
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图1 半导体中各种复合过程示意图（a）带间跃迁（b）带－ 杂质中心辐射复合跃迁（c）施主－受主对辐射复合跃迁
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Hale Waihona Puke 在这个过程中，有六种不同的复合机构会发射光 子，它们是： （1）自由载流子复合 —— 导带底电子与价带顶空穴 的复合； （2）自由激子复合 —— 晶体中原子的中性激发态被 称为激子，激子复合也就是原子从中性激发态向基态 的跃迁，而自由激子指的是可以在晶体中自由运动的 激子，这种运动显然不传输电荷； （3）束缚激子复合 —— 指被施主、受主或其他陷阱 中心(带电的或不带电的)束缚住的激子的辐射复合，其 发5光强度随着杂质或缺陷中心的增加而增加； 2021/10/10
（4）浅能级与本征带间的载流子复合——即导
带电子通过浅施主能级与价带空穴的复合，或价
带空穴通过浅受主能级与导带电子的复合；
（5）施主-受主对复合——专指被施主-受主杂质
对束缚着的电子-空穴对的复合，因而亦称为施
主-受主对(D-A对)复合；
（6）电子-空穴对通过深能级的复合——即SHR
复合，指导带底电子和价带顶空穴通过深能级的
「干货」OLED显示技术知识全解读
「干货」OLED显示技术知识全解读展开全文摘要：2017年，OLED行业景气度提升，屡屡引发市场关注。
根据IHS的估计，到2020年仅OLED手机屏幕的市场空间可达约360亿美元。
据有关媒体报道，2018年，OLED产业迎来最好发展时期。
伴随着苹果公司开始在iPhone上使用OLED屏幕，使得整个OLED产业链发生了巨大变化，需求迎来爆发期。
2017年，OLED行业景气度提升，屡屡引发市场关注。
根据IHS 的估计，到2020年仅OLED手机屏幕的市场空间可达约360亿美元。
OLED，即有机发光二极管OLED（Organic Light-Emitting Diode），又称为有机电激光显示（OrganicElectroluminesence Display, OELD）。
因为具备轻薄、省电等特性，因此从2003年开始，这种显示设备在MP3播放器上得到了广泛应用，而对于同属数码类产品的DC 与手机，此前只是在一些展会上展示过采用OLED屏幕的工程样品，还并未走入实际应用的阶段。
但OLED屏幕却具备了许多LCD不可比拟的优势，因此它也一直被业内人士所看好。
OLED 显示技术的起源早在20 世纪60 年代，Pope 等人首次报道了蒽单晶的电致发光现象，揭开了有机发光器件研究的序幕，但由于当时获得的亮度和效率均不理想，而未获得广泛的关注。
1987 年，美国柯达公司邓青云博士等以真空蒸镀法制作出含电子空穴传输层的多层器件，获得了亮度大于1000cd/m2、效率超过1.5 lm/W、驱动电压小于10V 的发光器件，这种器件具有轻薄、低驱动电压、自主发光、宽视角、快速响应等优点，因此得到了广泛的关注。
1990 年，英国剑桥大学Cavendish 研究室的R. H. Friend 等人以旋涂的方法将聚合物材料聚对苯撑乙烯作为发光材料制备发光器件，开创了聚合物在有机发光领域的应用。
这项研究进一步促进了有机发光显示器件的研究，应用更加广泛、性能更加优越的器件报道不断涌现。
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图1 半导体中多种复合过程示意图（a）带间跃迁（b）带－ 杂质中心辐射复合跃迁（c）施主－受主对辐射复合跃迁
在这个过程中，有六种不同旳复合机构会发射光 子，它们是： （1）自由载流子复合 —— 导带底电子与价带顶空穴 旳复合； （2）自由激子复合 —— 晶体中原子旳中性激发态被 称为激子，激子复合也就是原子从中性激发态向基态 旳跃迁，而自由激子指旳是能够在晶体中自由运动旳 激子，这种运动显然不传播电荷； （3）束缚激子复合 —— 指被施主、受主或其他陷阱 中心(带电旳或不带电旳)束缚住旳激子旳辐射复合，其 发光强度伴随杂质或缺陷中心旳增长而增长；
）是表征材料纯度旳主要特征参数。
6、少数载流子寿命旳测定
7、均匀性旳研究 测量措施是用一种激光微探针扫描样品，根据样
品旳某一种特征发光带旳强度变化，直接显示样品旳 不均匀图像。
8、位错等缺陷旳研究
图3 CZT晶体在4.2K下经典旳PL谱。该PL谱涉及四个区域： （1）近带边区；（2）施主－受主对（DAP）区；（3）受主 中心引起旳中心位于1.4eV旳缺陷发光带；（4）Te空位引起旳
2、光致发光旳缺陷
它旳原始数据与主要感爱好旳物理现象之 间离得比较远，以至于经常需要进行大量 旳分析，才干经过从样品外部观察到旳发 光来推出内部旳符合速率。
光致发光测量旳成果经常用于相正确比较， 所以只能用于定性旳研究方面。
测量中经常需要液氦低温条件也是一种苛 刻旳要求。
对于深陷阱一类不发光旳中心，发光措施 显然是无能为力旳。
（4）浅能级与本征带间旳载流子复合——即导 带电子经过浅施主能级与价带空穴旳复合，或价 带空穴经过浅受主能级与导带电子旳复合； （5）施主-受主对复合——专指被施主-受主杂质 对束缚着旳电子-空穴正确复合，因而亦称为施 主-受主对(D-A对)复合； （6）电子-空穴对经过深能级旳复合——即SHR 复合，指导带底电子和价带顶空穴经过深能级旳 复合，这种过程中旳辐射复合几率很小。
光致发光(PL)光谱 ppt课件
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图1 半导体中各种复合过程示意图（a）带间跃迁（b）带－ 杂质中心辐射复合跃迁（c）施主－受主对辐射复合跃迁
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在这个过程中，有六种不同的复合机构会发射光
子，它们是： （1）自由载流子复合 —— 导带底电子与价带顶空穴 的复合； （2）自由激子复合 —— 晶体中原子的中性激发态被
（X1）、上偏振带峰（Xup）以及第一激发态自由激子峰
（ X2 ）。对于质量较差的 CZT晶体，无法看到其自由激 子峰（X1）和一次激发态自由激子峰（X2）。低温PL谱 可以用来比较全面的评价 CZT 晶体的质量，并由此来推 断晶体的探测性能。
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2、杂质识别 根据特征发光谱线的位置，可以识别GaAs和GaP 中的微量杂质。
12 3 、硅中浅杂质的浓度测定
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4、辐射效率的比较 半导体发光和激光器件要求材料具有良好的发光性 能，发光测量正是直接反映了材料的发光特性。通过 光致发光光谱的测定不仅可以求得各个发光带的强度 ，而且也可以的到积分的辐射强度。在相同的测量条 件下，不同的样品间可以求得相对的辐射效率。 5、 GaAs材料补偿度的测定 补偿度NA/ND（ND，NA分别为施主、受主杂质浓度 ）是表征材料纯度的重要特征参数。 6、少数载流子寿命的测定
2自由激子复合自由激子复合晶体中原子的中性激发态被晶体中原子的中性激发态被称为激子称为激子激子复合也就是原子从中性激发态向基态激子复合也就是原子从中性激发态向基态称为激子称为激子激子复合也就是原子从中性激发态向基态激子复合也就是原子从中性激发态向基态导带底电子与价带顶空穴的跃迁而自由激子指的是可以在晶体中自由运动的的跃迁而自由激子指的是可以在晶体中自由运动的激子这种运动显然不传输电荷
光致发光和电致发光谱概述
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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。
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。
发光光谱分析原理及分析方法.
– 固溶体材料的禁带Eg是随组分x值而变化的。其阴极荧光波长也随组
分而变化，对阴极荧光峰值和x值作出定标后，或根据已知Eg与组分 的关系，则可以对未知x值的样品实测CL谱，即可推知其中的x值。
2、发光中心浓度的测量 3、位错与缺陷的观察
发光衰变和时间分辨谱 在脉冲激发的情况下，在激发停止的短暂时间内，若在某一特 定时间间隔内，对某一发光成分测量其随时间的衰变规律，则 可得到该发光成分的物理机制，若在发光衰变的期间内，不同 时刻（实际上是足够短的时间间隔）测量荧光光谱，即得到时 间分辨谱。 基本原理：若激发脉冲在t=0时刻停止，则在t>0的某时刻实际 测得的R（t）是真实荧光衰减F（t）与测量系统的I（t）的卷积： t R(t)= 0 F(t’)I(t-t’)dt’
S=0.3
S=2.0
012 3
0 1 2 3 4 5
S=20
10
20
30
电子晶格振动耦合对吸收谱和发光谱都有影响，在吸 收谱中，声子伴线（或边带）出现在高能侧；在发光 谱中则出现于低能侧。由于声子边带的峰出现于相当 m’=S的能量位置，素斯托克斯位移 2dFC=2S 其中， dFC称为franck-Condon能量。T>0情形，在电子态g中， 较高的震动态 m ≠0,可以被占据则像︱g,m>→︱e,m’之 类的跃迁可以发生，其结果是使声子边带（或伴线） 加宽。
激发谱记录的是一个选定的某发射波长或发射谱中的一部分波长的强度随的某发射波长或发射谱中的一部分波长的强度随激发光波长的变化这是用以获得光阴杂质缺陷中心激发光波长的变化这是用以获得光阴杂质缺陷中心吸收和主晶格的基本吸收的一个传统方法其装置如吸收和主晶格的基本吸收的一个传统方法其装置如单色仪记录仪放大器除光辐射可以激发发光为电场阴极射线和高能粒子束等也可以激发发光
光致发光(PL)光谱
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图1 半导体中各种复合过程示意图（a）带间跃迁（b）带－ 杂质中心辐射复合跃迁（c）施主－受主对辐射复合跃迁
在这个过程中，有六种不同的复合机构会发射光
子，它们是： （1）自由载流子复合 —— 导带底电子与价带顶空穴 的复合； （2）自由激子复合 —— 晶体中原子的中性激发态被
测量中经常需要液氦低温条件也是一种苛 刻的要求。
对于深陷阱一类不发光的中心，发光方法 显然是无能为力的。
四、光致发光分析方法的应用
1、组分测定 例如，GaAs1-xPx是由直接带隙的GaAs和间接带 隙的GaP组成的混晶，它的带隙随x值而变化。发光 的峰值波长取决于禁带宽度，禁带宽度和x值有关。 因此，从发光峰峰值波长可以测定组分百分比x值。
7、均匀性的研究 测量方法是用一个激光微探针扫描样品，根据样 品的某一个特征发光带的强度变化，直接显示样品的 不均匀图像。
8、位错等缺陷的研究
图3 CZT晶体在4.2K下典型的PL谱。该PL谱包括四个区域： （1）近带边区；（2）施主－受主对（DAP）区；（3）受主 中心引起的中心位于1.4eV的缺陷发光带；（4）Te空位引起的 中心位于1.1eV的发光峰带。
它在探测的量子能量和样品空间大小上都 具有很高的分辨率，因此适合于作薄层分 析和微区分析。
2、光致发光的缺点
它的原始数据与主要感兴趣的物理现象之 间离得比较远，以至于经常需要进行大量 的分析，才能通过从样品外部观测到的发 光来推出内部的符合速率。 光致发光测量的结果经常用于相对的比较， 因此只能用于定性的研究方面。
图4 高质量CZT晶体PL谱的近带边区
第二章-光致发光及电致发光的基本知识1教材
主要参数及特点： 参数：量子效率、磷光强度、磷光寿命、极大发射波长。
特点： 1）波长比相同物质所发出的荧光波长长(T1 < S1)； 2）磷光寿命比荧光的长（10-4 10 s）—(磷光为禁阻跃迁产生，速率常数 小)； 3）寿命和强度对重原子和氧敏感(自旋轨道耦合，使系间窜跃增加)。 由于磷光寿命长，T1的非辐射跃迁、碰撞失活、光化学反应几率都增加，所以 磷光较弱。
第二章理 • 荧光的产生及性质 • 磷光的产生及性质
OLED结构及工作原理
1、电子和空穴分 别从阴阳两极注入
2、电子和空穴分别 在功能层中进行迁移
3、电子和空穴在合 适的位置形成激子
4、激子在一定的 范围内进行迁移
5、激子(或将能量传 递给其它中心)发光
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
5) 荧光发射 处于S1的电子跃迁至基态各振动能级时，将得到最大波长的荧光。 而且不论电子开始被激发至什么高能级，最终将只发射出最大波长的 荧光。荧光的产生在10-7 - 10-9s内完成。
荧光猝灭
荧光猝灭：荧光物质分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用引起 荧光强度降低的现象称为荧光猝灭。能产生荧光猝灭的原因有以下几 点：
5）荧光物质的自猝灭：在浓度较高的荧光物质溶液中，单重激发态的分子在发 生荧光之前和未激发的荧光物质分子碰撞而引起的自猝灭。
荧光激发光谱与发射光谱
1)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，以激发波长 对荧光强度作图可得到激发光谱。
特点： 1）波长比相同物质所发出的荧光波长长(T1 < S1)； 2）磷光寿命比荧光的长（10-4 10 s）—(磷光为禁阻跃迁产生，速率常数 小)； 3）寿命和强度对重原子和氧敏感(自旋轨道耦合，使系间窜跃增加)。 由于磷光寿命长，T1的非辐射跃迁、碰撞失活、光化学反应几率都增加，所以 磷光较弱。
第二章理 • 荧光的产生及性质 • 磷光的产生及性质
OLED结构及工作原理
1、电子和空穴分 别从阴阳两极注入
2、电子和空穴分别 在功能层中进行迁移
3、电子和空穴在合 适的位置形成激子
4、激子在一定的 范围内进行迁移
5、激子(或将能量传 递给其它中心)发光
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
5) 荧光发射 处于S1的电子跃迁至基态各振动能级时，将得到最大波长的荧光。 而且不论电子开始被激发至什么高能级，最终将只发射出最大波长的 荧光。荧光的产生在10-7 - 10-9s内完成。
荧光猝灭
荧光猝灭：荧光物质分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用引起 荧光强度降低的现象称为荧光猝灭。能产生荧光猝灭的原因有以下几 点：
5）荧光物质的自猝灭：在浓度较高的荧光物质溶液中，单重激发态的分子在发 生荧光之前和未激发的荧光物质分子碰撞而引起的自猝灭。
荧光激发光谱与发射光谱
1)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，以激发波长 对荧光强度作图可得到激发光谱。
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
光致发光(PL)光谱
真空泵
透镜
反射镜
滤光片
激光器
激光器电源
样品室
样品
透镜
狭缝
光电倍增管
单色仪
锁相放大器 计算机
制冷仪
图2 光致发光光谱测量装置示意图
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2019/4/27
三、光致发光特点
1、光致发光的优点
光致发光分析方法的实验设备比较简单、 测量本身是非破坏性的，而且对样品的尺 寸、形状以及样品两个表面间的平行度都 没有特殊要求。
测量中经常需要液氦低温条件也是一种苛 刻的要求。
对于深陷阱一类不发光的中心，发光方法 显然是无能为力的。
四、光致发光分析方法的应用
1、组分测定 例如，GaAs1-xPx是由直接带隙的GaAs和间接带
隙的GaP组成的混晶，它的带隙随x值而变化。发光 的峰值波长取决于禁带宽度，禁带宽度和x值有关。 因此，从发光峰峰值波长可以测定组分百分比x值。
中心位于1.1eV的发光峰带。
图4 高质量CZT晶体PL谱的近带边区
该PL谱的主峰为中性施主的束缚激子峰（D0, X）。 而CdTe和Cd0.96Zn0.04Te在该区域内的主发光峰则通常为 受主－束缚激子峰（A0,X）。在Cd0.9Zn0.1Te晶体的近带 边 区 的 PL 谱 除 此 之 外 ， 还 可 以 看 到 基 态 自 由 激 子 峰 （X1）、上偏振带峰（Xup）以及第一激发态自由激子峰 （X2）。对于质量较差的CZT晶体，无法看到其自由激 子峰（X1）和一次激发态自由激子峰（X2）。低温PL谱 可以用来比较全面的评价CZT晶体的质量，并由此来推 断晶体的探测性能。
（4）浅能级与本征带间的载流子复合——即导 带电子通过浅施主能级与价带空穴的复合，或价 带空穴通过浅受主能级与导带电子的复合； （5）施主-受主对复合——专指被施主-受主杂质 对束缚着的电子-空穴对的复合，因而亦称为施 主-受主对(D-A对)复合； （6）电子-空穴对通过深能级的复合——即SHR 复合，指导带底电子和价带顶空穴通过深能级的 复合，这种过程中的辐射复合几率很小。
光致发光和电致发光谱课件
电致发光的未来发展
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高效节能技术 随着环保意识的提高，电致发光技术将不断向高 效节能方向发展，降低能耗，提高发光效率。
多功能化 电致发光技术将不断拓展其应用领域，如开发具 有温度、湿度、压力等多功能的电致发光器件， 满足更复杂的应用需求。
柔性化与可穿戴化 结合柔性电子技术，实现电致发光器件的柔性化 和可穿戴化，使其能够应用于可穿戴设备、智能 家居等领域。
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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
发展趋势
光致发光和电致发光的发展趋势也不同，光致发光将更加注重智能化控制和与其他技术的 结合，而电致发光则将更加注重节能环保和柔性化、可穿戴化的发展。
光致发光与电致发光的比较
光致发光和电致发光虽然都是发光现 象，但它们的激发机制、光谱特性和 应用场景有所不同。
VS
光致发光是由光子激发产生的，其光 谱特性与吸收的光线波长有关；而电 致发光是由电流作用产生的，光谱特 性可以通过调节电流和电压进行控制。 光致发光通常用于荧光标记、生物成 像等领域；而电致发光则广泛应用于 显示器和照明技术。
03
光致发光和电致发光的谱线特征
光致发光谱线特征
连续光谱
温度依赖性
光致发光过程中，发射光谱通常是连 续的，这是因为发光过程中涉及的能 级差较小，导致光谱分布广泛。
光致发光谱线的强度和宽度随温度变 化，温度越高，强度越低，谱线越宽。
光致发光(PL)光谱ppt课件
e-D+
e-h e-h
e-A
声子参与
D-h
D-AΒιβλιοθήκη (a)(b)(c)
图1 半导体中各种复合过程示意图（a）带间跃迁（b）带－ 杂质中心辐射复合跃迁（c）施主－受主对辐射复合跃迁
在这个过程中，有六种不同的复合机构会发射光 子，它们是： （1）自由载流子复合 —— 导带底电子与价带顶空穴 的复合； （2）自由激子复合 —— 晶体中原子的中性激发态被 称为激子，激子复合也就是原子从中性激发态向基态 的跃迁，而自由激子指的是可以在晶体中自由运动的 激子，这种运动显然不传输电荷； （3）束缚激子复合 —— 指被施主、受主或其他陷阱 中心(带电的或不带电的)束缚住的激子的辐射复合，其 发光强度随着杂质或缺陷中心的增加而增加；
一、光致发光基本原理
1. 定义：所谓光致发(Photoluminescence)指的是以光 作为激励手段，激发材料中的电子从而实现发 光的过程。它是光生额外载流子对的复合过程 中伴随发生的现象
2. 基本原理：由于半导体材料对能量高于其吸收限的光 子有很强的吸收，吸收系数通常超过104cm-1，因此在 材料表面约1μm厚的表层内，由本征吸收产生了大量的 额外电子-空穴对，使样品处于非平衡态。这些额外载 流子对一边向体内扩散，一边通过各种可能的复合机构 复合。其中，有的复合过程只发射声子，有的复合过程 只发射光子或既发射光子也发射声子
计算机 光（致5）发施光主测样-量受品的主室结对果复经合常—用—样于专品相指对被的施比主较-受，主因透杂此镜质只对能束用缚于着定的性电的子研-空究穴方对面的。复合，因而亦称为施主-受主对(D-A对)复合；
补偿度NA/ND（ND，NA分别为施主、受主杂质浓度）是表征材料纯度的重要特征参数。
第二章光致发光和电致发光的基础知识
荧光和磷光本质区别
S1
2 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
11
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
21
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。
分子内电荷转移
32
基础光物理—电荷转移
分子间电荷转移
与激基复合物类似，主要与给体的电离能大小和溶剂极性有关
33
基础光物理
本小节重点知识回顾
荧光与磷光产生的光物理过程 影响荧光的主要因素 了解荧光光谱与磷光光谱分析
34
有机电致发光和有机半导体的基本原理
主要知识要点
无机半导体的能带和载流子
26
基础光物理—激基复合物与激基缔合物
27
基础光物理—激基复合物与激基缔合物
激基复合物的形成也强烈地依赖于至少其中一种物质的浓度
28
基础光物理—激基复合物与激基缔合物
如果将两个荧光发色团用非共轭的化学键连接在一起，当两个发色团间 距离合适时也可以形成激基复合物(激基缔合物)，这类物质被称作分子 内激基复(缔)合物。
光致发光的光谱
发光材料的发射光谱，指的是发出光的能量按波长 或频率的分布，许多发光材料的发射光谱是连续的宽带 谱。 一般地，光谱的形状可以用高斯函数来表示，即 EV = EV0 exp[-a(υ-υ0)2] 其中υ是频率，EV是在频率υ附近的发光能量密 度相对值，Evo是在峰值频率u0时的相对能量，а是正 的常数。一般的发光谱带，至少近似地都可以00
600
CaS:Eu,Sm的激发光谱和荧光发射光谱波长比较
七、斯托克斯定律和反斯托克斯发光
E13 E12 E11
E03 E02 E01
上发光中心的能级结构示意图
10
七、斯托克斯定律和反斯托克斯发光
发光光子的能量就有可能大于激发光子的能量。 发光光子的能量就有可能大于激发光子的能量 。 这种 发光称为反斯托克斯发光，它在实际上是存在的。 发光称为反斯托克斯发光，它在实际上是存在的。但是它 的强度很低，常常被看作是一种例外情况，没有实用价值。 的强度很低，常常被看作是一种例外情况，没有实用价值。 实际上，对大多数发光材料而言 ， 即使用发光区内的 实际上， 对大多数发光材料而言， 波长还能够激发发光，效率也是极低的。 波长还能够激发发光，效率也是极低的。随着激发波长的 增长，效率趋近于零。因此过去认为， 增长，效率趋近于零。因此过去认为，反斯托克斯发光只 有理论上的意义。 有理论上的意义。
光致发光光谱
1 光致发光发光光谱
2
光致发光光谱的产生机理 光致发光光谱的产生机理 发光光谱的
3
斯托克斯发光和反斯托克斯 发光
光致发光发光光谱（也称发射光谱） 一 光致发光发光光谱（也称发射光谱）
我们知道，光致发光是发光材料吸收光子（或电 磁波）后重新辐射出光（或电磁波）的过程。
1 光致发光发光光谱简介
600
CaS:Eu,Sm的激发光谱和荧光发射光谱波长比较
七、斯托克斯定律和反斯托克斯发光
E13 E12 E11
E03 E02 E01
上发光中心的能级结构示意图
10
七、斯托克斯定律和反斯托克斯发光
发光光子的能量就有可能大于激发光子的能量。 发光光子的能量就有可能大于激发光子的能量 。 这种 发光称为反斯托克斯发光，它在实际上是存在的。 发光称为反斯托克斯发光，它在实际上是存在的。但是它 的强度很低，常常被看作是一种例外情况，没有实用价值。 的强度很低，常常被看作是一种例外情况，没有实用价值。 实际上，对大多数发光材料而言 ， 即使用发光区内的 实际上， 对大多数发光材料而言， 波长还能够激发发光，效率也是极低的。 波长还能够激发发光，效率也是极低的。随着激发波长的 增长，效率趋近于零。因此过去认为， 增长，效率趋近于零。因此过去认为，反斯托克斯发光只 有理论上的意义。 有理论上的意义。
光致发光光谱
1 光致发光发光光谱
2
光致发光光谱的产生机理 光致发光光谱的产生机理 发光光谱的
3
斯托克斯发光和反斯托克斯 发光
光致发光发光光谱（也称发射光谱） 一 光致发光发光光谱（也称发射光谱）
我们知道，光致发光是发光材料吸收光子（或电 磁波）后重新辐射出光（或电磁波）的过程。
1 光致发光发光光谱简介
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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，与空穴通过特定中心复合产生发光。
7
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 量可直接被发光中心吸收，也可被发光材料的基质吸收。
可观测到发光，在这种情况下发射的光子能量分别为
非辐射衰变
E6
过程
E5
hv1 E2E1 hv2 E2E0
E4 E3 E2
激发过程
辐射衰变过程
E1
E0
6
（1）发光中心
进行辐射跃迁过程的实体即是发光中心，它是发光体中被激 发的电子跃迁回基态(或与空穴复合)发射出光子的特定中心。
发光体吸收外界的能量以后，经过传输、转换等一系列过 程，最后以光的形式发射出来。光的发射对应着电子在某些能 级之间的跃迁。如果所涉及的能级是属于一定的离子、离子团 或分子时，这种离子、离子团或分子就称为发光中心。
敏化剂（促进作用）
猝灭剂（削弱作用）
共激活剂 自激活（不加激活剂，因基质晶体中自身结构缺陷而产生发光）
14
光致发光的过程
当外部光源如紫外光、可见光甚至激光照射到光致发光材 料时，发光材料就会发射出特征光如可见光、紫外光等，发光 过程一般由以下几个过程构成
(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。
光致发光和电致发光谱概述
一. 光 致 发 光 谱
1 光致发光发光基本原理
2 光致发光光谱的实验装置及方法 3 光致发光的应用
4
11.. 光致发光的基本原理
1.1 光致发光的定义
所谓光致发光（Photoluminescence简称PL），是指物体 依赖外界光源进行照射，从而获得能量，产生激发导至发光 的现象。也指物质吸收光子（或电磁波）后重新辐射出光子 （或电磁波）的过程。
10
（3）吸收光谱（Absorption spectrum）
吸收光谱是描述吸收系数随入射光波长变化的谱图，发光材料 对光的吸收遵循
I（ λ） =I（ 0 λ） eKX
式中 I（0 λ ） ——波长为A的人射光的初始强度； I（λ） ——入射光通过厚度为x的发光材料后的强度；
K ——不随光强但随波长变化的一个系数，称为吸收系数。
对于发光材料，发射光谱及其对应的激发光谱是非常 重要的性质，激发、发射光谱通常采用紫外—可见荧光分 光光度计进行扫描。
13
（6）激活和激活剂
晶体中对完整周期点阵或结构的任何偏离都是缺陷。在发光材 料的基质晶体中加入某种杂质，造成结构上的缺陷，由于这种结构 缺陷，使原来不发光或发光很微弱的材料产生发光，这种作用叫做 激活，所加入的杂质称为激活剂。
9
（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。
从量子力学理论上，这一过程可以描述为物质吸收光 子跃迁到较高能级的激发态后返回低能态，同时放出光子 的过程。光致发光是多种形式的荧光（Fluorescence）中 的一种。
5
1.2 光致发光的基本原理
设一系统的能级结构如图，E0为基态能量，E1-E6为激发态，受到 激发后，若系统从能级E0跃迁到E5，由于从E2-E5能级间相距很近，可 通过非辐射性级联过程发射声子，由E5能级降到E2能级，从E2到E1或E0 的能级间距较大，则可能通过发射光子的辐射性跃迁来完成，这时就
12
（5）发射光谱（光致发光谱 / Emission spectrum）
发射光谱是指发光材料在某一特定波长光的激发下， 所发射的不同波长光的强度或能量分布。
许多发光材料的发射光谱是连续谱带，由一个或几个 峰状的曲线所组成，这类曲线可以用高斯函数表示。还有 一些材料的发射光谱比较窄，甚至呈谱线状。这种发射光 谱如果以发射光的能量分布来做图称为光谱能量分布图。
11
（4）激发光谱（Excitation spectrum）
激发光谱是指发光材料在不同波长光的激发下，该材 料的某一发光谱线和谱带的强度或发射效率与激发波长的 关系。
激发光谱反应了不同波长的光激发材料的效果。根据 激发光谱可以确定激发该发光材料使其发光所需的激发光 波长范围，并可以确定某发射谱线强度最大时的最佳激发 光波长。激发光谱对分析发光的激发过程具有重要意义。
在第一种情况下，发光中心吸收能量向较高能级跃迁， 随后跃迁回到较低能级或基态能级而产生发光。
在第二种情况下，基质吸收光能，在基质中形成电子空 穴对，他们可能在晶体中运动，或被束缚在各个发光中心上 ，电子与空穴复合而引起发光，这种发光叫做复合发光。
8
当发光中心离子处于基质的能带中时，会形成一个局域 能级，处在基质导带和价带之间，即位于基质的禁带中。不 同的基质结构，发光中心离子在禁带中形成的局域能级的位 置部同．从而在光激发下．会产生不同的跃迁、导致不同的 发光色。
发光材料的吸收光谱主要决定于材料的基质，而激活剂和其他 杂质对吸收光谱也有一定的影响。多数情况下，发光中心是一个复 杂的结构，发光材料基质晶格周围的离子对它的性质会产生影响。 被吸收的光能一部分辐射发光，一部分能量以晶格振动等非辐射方 式消耗掉。大多数发光材料主吸收带在紫外光谱区。发光材料的紫 外吸收光谱可由紫外一可见分光光度计来测量。
整个发光过程示意图如图所示。
荧光粉的光致发光过程
15
A激活剂
1. 吸收过程
Y2O3 ：Eu3+吸收光谱
16
设离子的平均位置用R表示，采用简谐近似 则离子受到偏离中心R0的回复力为：
复合发光中心 电子被激发后离化，与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 量可直接被发光中心吸收，也可被发光材料的基质吸收。
可观测到发光，在这种情况下发射的光子能量分别为
非辐射衰变
E6
过程
E5
hv1 E2E1 hv2 E2E0
E4 E3 E2
激发过程
辐射衰变过程
E1
E0
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（1）发光中心
进行辐射跃迁过程的实体即是发光中心，它是发光体中被激 发的电子跃迁回基态(或与空穴复合)发射出光子的特定中心。
发光体吸收外界的能量以后，经过传输、转换等一系列过 程，最后以光的形式发射出来。光的发射对应着电子在某些能 级之间的跃迁。如果所涉及的能级是属于一定的离子、离子团 或分子时，这种离子、离子团或分子就称为发光中心。
敏化剂（促进作用）
猝灭剂（削弱作用）
共激活剂 自激活（不加激活剂，因基质晶体中自身结构缺陷而产生发光）
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光致发光的过程
当外部光源如紫外光、可见光甚至激光照射到光致发光材 料时，发光材料就会发射出特征光如可见光、紫外光等，发光 过程一般由以下几个过程构成
(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。
光致发光和电致发光谱概述
一. 光 致 发 光 谱
1 光致发光发光基本原理
2 光致发光光谱的实验装置及方法 3 光致发光的应用
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11.. 光致发光的基本原理
1.1 光致发光的定义
所谓光致发光（Photoluminescence简称PL），是指物体 依赖外界光源进行照射，从而获得能量，产生激发导至发光 的现象。也指物质吸收光子（或电磁波）后重新辐射出光子 （或电磁波）的过程。
10
（3）吸收光谱（Absorption spectrum）
吸收光谱是描述吸收系数随入射光波长变化的谱图，发光材料 对光的吸收遵循
I（ λ） =I（ 0 λ） eKX
式中 I（0 λ ） ——波长为A的人射光的初始强度； I（λ） ——入射光通过厚度为x的发光材料后的强度；
K ——不随光强但随波长变化的一个系数，称为吸收系数。
对于发光材料，发射光谱及其对应的激发光谱是非常 重要的性质，激发、发射光谱通常采用紫外—可见荧光分 光光度计进行扫描。
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（6）激活和激活剂
晶体中对完整周期点阵或结构的任何偏离都是缺陷。在发光材 料的基质晶体中加入某种杂质，造成结构上的缺陷，由于这种结构 缺陷，使原来不发光或发光很微弱的材料产生发光，这种作用叫做 激活，所加入的杂质称为激活剂。
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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。
从量子力学理论上，这一过程可以描述为物质吸收光 子跃迁到较高能级的激发态后返回低能态，同时放出光子 的过程。光致发光是多种形式的荧光（Fluorescence）中 的一种。
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1.2 光致发光的基本原理
设一系统的能级结构如图，E0为基态能量，E1-E6为激发态，受到 激发后，若系统从能级E0跃迁到E5，由于从E2-E5能级间相距很近，可 通过非辐射性级联过程发射声子，由E5能级降到E2能级，从E2到E1或E0 的能级间距较大，则可能通过发射光子的辐射性跃迁来完成，这时就
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（5）发射光谱（光致发光谱 / Emission spectrum）
发射光谱是指发光材料在某一特定波长光的激发下， 所发射的不同波长光的强度或能量分布。
许多发光材料的发射光谱是连续谱带，由一个或几个 峰状的曲线所组成，这类曲线可以用高斯函数表示。还有 一些材料的发射光谱比较窄，甚至呈谱线状。这种发射光 谱如果以发射光的能量分布来做图称为光谱能量分布图。
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（4）激发光谱（Excitation spectrum）
激发光谱是指发光材料在不同波长光的激发下，该材 料的某一发光谱线和谱带的强度或发射效率与激发波长的 关系。
激发光谱反应了不同波长的光激发材料的效果。根据 激发光谱可以确定激发该发光材料使其发光所需的激发光 波长范围，并可以确定某发射谱线强度最大时的最佳激发 光波长。激发光谱对分析发光的激发过程具有重要意义。
在第一种情况下，发光中心吸收能量向较高能级跃迁， 随后跃迁回到较低能级或基态能级而产生发光。
在第二种情况下，基质吸收光能，在基质中形成电子空 穴对，他们可能在晶体中运动，或被束缚在各个发光中心上 ，电子与空穴复合而引起发光，这种发光叫做复合发光。
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当发光中心离子处于基质的能带中时，会形成一个局域 能级，处在基质导带和价带之间，即位于基质的禁带中。不 同的基质结构，发光中心离子在禁带中形成的局域能级的位 置部同．从而在光激发下．会产生不同的跃迁、导致不同的 发光色。
发光材料的吸收光谱主要决定于材料的基质，而激活剂和其他 杂质对吸收光谱也有一定的影响。多数情况下，发光中心是一个复 杂的结构，发光材料基质晶格周围的离子对它的性质会产生影响。 被吸收的光能一部分辐射发光，一部分能量以晶格振动等非辐射方 式消耗掉。大多数发光材料主吸收带在紫外光谱区。发光材料的紫 外吸收光谱可由紫外一可见分光光度计来测量。
整个发光过程示意图如图所示。
荧光粉的光致发光过程
15
A激活剂
1. 吸收过程
Y2O3 ：Eu3+吸收光谱
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设离子的平均位置用R表示，采用简谐近似 则离子受到偏离中心R0的回复力为：