发光光谱分析PPT课件
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能量效率 发光能量与激发源输入能量之间的比值 B量子 = E发光 / E吸收 如果是光致发光，又与E=hν，所以能量效率还可以表示如下： B量子 = E发光 / E吸收= hν发光 / hν吸收= ν发光 / ν吸收
光度效率 发光的流明数与激发源输入流明数的比值： B量子 =光度发光 / 光度吸收
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湘潭大学材料与光电物理学院
发光的分类：(根据激发源的不同）
光致发光：photoLuminescence PL
电致发光：electroluminescence EL
将电能直接转换为光能，又称：场致发光
1) 本征型电致发光：将发光材料夹在两块平板电极之间 (其中一块为透明电极) ，系统与交流电源连接后，发 光从透明电极一侧透射出来。
GaAs的价带-导带吸收光谱
8
GaAs的导带-价带发光光谱
湘潭大学材料与光电物理学院
间接能隙材料（如IV族半导体）中，电子由导带向价带跃迁，为 满足动量守恒，在发射光子的同时，发射和吸收一个声子。 间接跃迁的效率很低。比直接跃迁低3～4个量级。发光很弱，需 要在低温下测量
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湘潭大学材料与光电物理学院
湘潭大学材料与光电物理学院
光发射过程
光吸收的逆过程
当材料受到诸如光的照射、外加电场或电子束轰击等的激发后， 只要不因此而发生化学变化，总要回复到原来的平衡状态，在 此过程中，一部分多余的能量通过光或热的形式释放出来。
如果这部分能量是以可见光的形式发射出来，则称这种现象为发光。
发光材料的一个重要特性是它的发光持续时间。
湘潭大学材料与光电物理学院
阴极射线发光：cathodeluminescence CL 通过电子束激发，电子的能量通常在几千电子伏以上 激发过程与光致发光不同，是一个复杂过程： 高速电子离化原子，产生高速次级电子，高速次级电子又
可以产生次级电子，最终由次级电子激发发光物质产生发光。
X射线及高能粒子发光 次级电子激发或离化发光物质而发光
可用于安全应急、交通运输、建筑装潢、仪表、电气开关显示等诸多方 面. 在安全应急方面，如消防安全设施、器材的标志，救生器材标志、 紧急疏散标志、应急指示照明和军事设施的隐蔽照明
据报道，在美国“9.11”事件中长余辉发光标志在人员疏散过
程中起了重要的作用。
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湘潭大学材料与光电物理学院
发光效率 发光材料的另一个重要特性是其发光强度，发光强度也随激发强度而 改变。通常用发光效率来表征材料的发光本领，有3种表示方法： 量子效率 发射物质辐射的量子数N(发光)与激发光源输入的量子数 N(吸收)（如果是光致发光则是光子数；如是电致发光，则是电子数。 余类推。）的比值： B量子 = N发光 / N吸收
依发光持续时间，我们可应将发光区分为荧光和磷光：
荧光（Fluorescence）：激发和发射两个过程之间的间隙极短，约为 <10-8秒。只要光源一离开，荧光就会消失。
磷光（Phosphorescence）：在激发源离开后，发光还会持续较长的时
间。
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湘潭大学材料与光电物理学院
还可以用余辉来表示物质发光的持续时间。余辉的定义为：当激发
另外，这些鳞状物的下方也有一个专门的“镜子”，这与发光二
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极管中的微小的“镜子”作用非常相似。
湘潭大学材料与光电物理学院
在材料的研究中，最常用的是光致发光PL 研究固体发光时，常把发光的全过程分为两个步骤： ① 激发：物质中的可激活系统在吸收光子后跃迁到较高的能态。 ② 发射：激活系统回复到较低能态（一般为基态）而发射光子。 PL PLE
二级管之间拥有很多相似的地方。
蝴蝶翅膀上的鳞状覆盖物内包含着一些被称为“光子晶 体”(Photonic Crystals)的微小结构，而这和发光二极管中的微孔的 作用机制非常类似。对此，研究人员之一的英国埃克赛特大学专家皮 特表示：“(这些鳞状物)可以防止荧光光线在鳞状物内部被截留，同时 也能防止光线向侧面发散出去。”
低温下高纯GaAs近带边吸收光谱
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湘潭大学材料与光电物理学院
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ZnO:Zn磷光体在不同温度下的 激子光谱
化学发光 化学反应过程中释放出来的能量激发发光物质而发光
生物发光
5
生化反应过程中释放出来的能量激发发光物质而发光
湘潭大学材料与光电物理学院
Glowing Butterflies Shine With
Natural LEDs
非洲燕尾蝶翅膀上鳞状物 的光学显微图象
科学家在研究非洲燕尾蝶的时候，发现其翅膀上的鳞状覆盖物和发光
其发光机理：电子(材料中被激发到导带的电子，或从 电极经隧穿进入材料的电子)受到电场加速，获得足够 能量，碰撞电离或激发发光中心，导致复合发光
2) 半导体p-n结注入式电致发光：p-n结正向偏置时，电子 (空穴)注入到p(n)区，注入的少数载流子通过直接或间接的 途径与多数载流子复合，导致发光 photo diode 4
（2）激子的复合发光
一对束缚着的电子和空穴相遇复合（称为激子复合）时，会把能
量释放出来产生窄的光谱线，出现于带间复合的低能方向，且不
伴随光电导
束缚使电子－空穴对的能量低于带隙
半导体中的激子束缚能较低，属于 Wannier激子，仅在低温下是稳定的，当 温度升高，激子可能被离解，发光由激 子型复合变成带间复合
光停止时的发光亮度（或强度）J0衰减到J0的10%时，所经历的时间称 为余辉时间，简称余辉。根据余辉可将发光材料分为六个范围：
极短余辉
<1μs
短余辉
1~10μs
中短余辉
10-2~1ms
中余辉
1~100ms
长余辉
0.1~1s
极长余辉
>1s
长余辉发光材料简称长余辉材料，又称夜光材料。它是一类吸收太阳光或人工 光源所产生的光发出可见光，而且在激发停止后仍可继续发光的物质。
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湘潭大学材料与光电物理学院
固体中的光发射总是伴随着处于高能态的电子向低能态的跃迁。下面一半 导体材料为例介绍 固体中的一些主要发光过程：
（1）导带到价带的跃迁 (本征发光）
直接能隙材料，允许电子由导带向价带直接跃迁，其动量不变
带间直接复合发光只能在很纯的半导体中观察到。
掺杂半导体中，禁带中存在杂质能级，电子和空穴可被局域能级俘获，并通过 这些能级进行辐射或非辐射复合。其复合截面比直接跃迁大两个量级。
光度效率 发光的流明数与激发源输入流明数的比值： B量子 =光度发光 / 光度吸收
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发光的分类：(根据激发源的不同）
光致发光：photoLuminescence PL
电致发光：electroluminescence EL
将电能直接转换为光能，又称：场致发光
1) 本征型电致发光：将发光材料夹在两块平板电极之间 (其中一块为透明电极) ，系统与交流电源连接后，发 光从透明电极一侧透射出来。
GaAs的价带-导带吸收光谱
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GaAs的导带-价带发光光谱
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间接能隙材料（如IV族半导体）中，电子由导带向价带跃迁，为 满足动量守恒，在发射光子的同时，发射和吸收一个声子。 间接跃迁的效率很低。比直接跃迁低3～4个量级。发光很弱，需 要在低温下测量
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光发射过程
光吸收的逆过程
当材料受到诸如光的照射、外加电场或电子束轰击等的激发后， 只要不因此而发生化学变化，总要回复到原来的平衡状态，在 此过程中，一部分多余的能量通过光或热的形式释放出来。
如果这部分能量是以可见光的形式发射出来，则称这种现象为发光。
发光材料的一个重要特性是它的发光持续时间。
湘潭大学材料与光电物理学院
阴极射线发光：cathodeluminescence CL 通过电子束激发，电子的能量通常在几千电子伏以上 激发过程与光致发光不同，是一个复杂过程： 高速电子离化原子，产生高速次级电子，高速次级电子又
可以产生次级电子，最终由次级电子激发发光物质产生发光。
X射线及高能粒子发光 次级电子激发或离化发光物质而发光
可用于安全应急、交通运输、建筑装潢、仪表、电气开关显示等诸多方 面. 在安全应急方面，如消防安全设施、器材的标志，救生器材标志、 紧急疏散标志、应急指示照明和军事设施的隐蔽照明
据报道，在美国“9.11”事件中长余辉发光标志在人员疏散过
程中起了重要的作用。
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湘潭大学材料与光电物理学院
发光效率 发光材料的另一个重要特性是其发光强度，发光强度也随激发强度而 改变。通常用发光效率来表征材料的发光本领，有3种表示方法： 量子效率 发射物质辐射的量子数N(发光)与激发光源输入的量子数 N(吸收)（如果是光致发光则是光子数；如是电致发光，则是电子数。 余类推。）的比值： B量子 = N发光 / N吸收
依发光持续时间，我们可应将发光区分为荧光和磷光：
荧光（Fluorescence）：激发和发射两个过程之间的间隙极短，约为 <10-8秒。只要光源一离开，荧光就会消失。
磷光（Phosphorescence）：在激发源离开后，发光还会持续较长的时
间。
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湘潭大学材料与光电物理学院
还可以用余辉来表示物质发光的持续时间。余辉的定义为：当激发
另外，这些鳞状物的下方也有一个专门的“镜子”，这与发光二
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极管中的微小的“镜子”作用非常相似。
湘潭大学材料与光电物理学院
在材料的研究中，最常用的是光致发光PL 研究固体发光时，常把发光的全过程分为两个步骤： ① 激发：物质中的可激活系统在吸收光子后跃迁到较高的能态。 ② 发射：激活系统回复到较低能态（一般为基态）而发射光子。 PL PLE
二级管之间拥有很多相似的地方。
蝴蝶翅膀上的鳞状覆盖物内包含着一些被称为“光子晶 体”(Photonic Crystals)的微小结构，而这和发光二极管中的微孔的 作用机制非常类似。对此，研究人员之一的英国埃克赛特大学专家皮 特表示：“(这些鳞状物)可以防止荧光光线在鳞状物内部被截留，同时 也能防止光线向侧面发散出去。”
低温下高纯GaAs近带边吸收光谱
10
湘潭大学材料与光电物理学院
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ZnO:Zn磷光体在不同温度下的 激子光谱
化学发光 化学反应过程中释放出来的能量激发发光物质而发光
生物发光
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生化反应过程中释放出来的能量激发发光物质而发光
湘潭大学材料与光电物理学院
Glowing Butterflies Shine With
Natural LEDs
非洲燕尾蝶翅膀上鳞状物 的光学显微图象
科学家在研究非洲燕尾蝶的时候，发现其翅膀上的鳞状覆盖物和发光
其发光机理：电子(材料中被激发到导带的电子，或从 电极经隧穿进入材料的电子)受到电场加速，获得足够 能量，碰撞电离或激发发光中心，导致复合发光
2) 半导体p-n结注入式电致发光：p-n结正向偏置时，电子 (空穴)注入到p(n)区，注入的少数载流子通过直接或间接的 途径与多数载流子复合，导致发光 photo diode 4
（2）激子的复合发光
一对束缚着的电子和空穴相遇复合（称为激子复合）时，会把能
量释放出来产生窄的光谱线，出现于带间复合的低能方向，且不
伴随光电导
束缚使电子－空穴对的能量低于带隙
半导体中的激子束缚能较低，属于 Wannier激子，仅在低温下是稳定的，当 温度升高，激子可能被离解，发光由激 子型复合变成带间复合
光停止时的发光亮度（或强度）J0衰减到J0的10%时，所经历的时间称 为余辉时间，简称余辉。根据余辉可将发光材料分为六个范围：
极短余辉
<1μs
短余辉
1~10μs
中短余辉
10-2~1ms
中余辉
1~100ms
长余辉
0.1~1s
极长余辉
>1s
长余辉发光材料简称长余辉材料，又称夜光材料。它是一类吸收太阳光或人工 光源所产生的光发出可见光，而且在激发停止后仍可继续发光的物质。
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湘潭大学材料与光电物理学院
固体中的光发射总是伴随着处于高能态的电子向低能态的跃迁。下面一半 导体材料为例介绍 固体中的一些主要发光过程：
（1）导带到价带的跃迁 (本征发光）
直接能隙材料，允许电子由导带向价带直接跃迁，其动量不变
带间直接复合发光只能在很纯的半导体中观察到。
掺杂半导体中，禁带中存在杂质能级，电子和空穴可被局域能级俘获，并通过 这些能级进行辐射或非辐射复合。其复合截面比直接跃迁大两个量级。