发光光谱分析PPT课件
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光致发光(PL)光谱583课件
光致发光(PL)光谱583
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
光致发光(PL)光谱583
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。
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
光致发光(PL)光谱583
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
光致发光（PL）光谱
光致发光(PL)光谱583
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
光致发光(PL)光谱583
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
光致发光(PL)光谱583
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。
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
光致发光(PL)光谱583
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。
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
光致发光(PL)光谱583
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
光致发光（PL）光谱
光致发光(PL)光谱583
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
光致发光(PL)光谱583
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
光致发光(PL)光谱583
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。
光谱分析基础知识PPT课件
20世纪50年代原子物理学的发展促进了 原子吸收分光光度法、原子荧光分光光度法 的兴起。
20世纪60年代等离子体、傅里叶变换和 激光技术的出现，促进了光谱分析的深入发 展。
20世纪70年代出现了等离子体-原子发射 光谱分析，傅里叶变换红外光谱法和激光光 谱法等一系列分析技术。
值得一题的是20世纪70年代发展起来的 激光共振电离光谱法，它的灵敏度达到了极 限，可以检测单个原子。
光谱分析，一般依其波长及其测定的方 法可以分为：射线(0.005~1.4Ả)；
X射线 (0.1~100Ắ)； 光学光谱(100 Ắ ~1000m)； 微波波谱(0.1~100cm)。
❖狭义：通常所说的光谱，一般仅指光学光 谱而言。
2．光学光谱的分类 （1）依其波长及其测定的方法可以分为：
真空紫外光光谱：10~200nm 近紫外光光谱：200~400nm 可见光谱：400~800nm 近红外光谱：800nm~2.5m 中红外光谱： 2.5~50m 远红外光谱： 50~1000m
1.2 光谱分析法概述
1．光谱的定义
❖ 广义：各种电磁波辐射都叫做光谱。
自然界的一切物质可以与各种频率的 电磁波辐射发生相互作用，这种作用表现 为对光的吸收或吸收光后再发射出各种波 长的光，这取决于各自的特殊物质结构。
根据各种不同的物质吸收或者发射出 某一特征频率的光信号及信号强度的大小 可以实现物质的定性与定量分析。
a.原子光谱：原子核外电子在不同能级间跃 迁而产生的光谱称为原子光谱（atomic spectrum）。它们的表现形式为线状光谱。
b.分子光谱：在辐射能作用下，因分子内能 级间的跃迁而产生的光谱称为分子光谱 （molecular spectrum）。由于在分子中各质 点的运动比单个原子复杂，因此分子光谱比 原子光谱复杂得多。
分子发光光谱法
振动驰豫
S2
S1 系
间
内转换
跨 跃
T1
外转换
S0 λ1 吸光
λ2 λ3 吸光 荧光
S0 λ4 磷光
荧光发射：当分子处在单重态的最低振动能层时， 去激发过程是以10-7～10-9s左右的时间内发射一个 光子回到基态。
磷光发射：激发态分子经过系间跨跃到激发三重态 后，并经过迅速的振动驰豫到达第一激发三重态 （T1）的最低振动能级上，从T1态分子经发射光子 返回基态。 磷光的寿命比荧光的要长得多
• 从图中看出 • 磷＞ 荧＞ 激 * 易产生荧光 n * 易产生磷光
二、激发光谱和发射光谱
固定荧光的最大发射波长，然后改变激发光的波 长，根据所测得的荧光强度与激发光波长的关系作图， 得到激发光谱曲线。
选择最大激发波长作为激发光波长，然后测定不 同发射波长时所发射的荧光或磷光强度，得到荧光或 磷光光谱曲线。
碰撞熄灭将随温度的升高而增加；将随溶液黏度的减小而增大。
（ⅱ）能量转移 它是指处于激发单重态的荧光分子M*与熄灭 剂相互作用后，发生能量转移，使熄灭剂得到激发，其反应如下
(ⅲ) 组成化合物的熄灭 它是指熄灭剂和荧光分子在基态时发生 配合反应，生成不发荧光的配合物。
(ⅳ) 自熄灭和自吸收 当荧光物质浓度较大时，常会发生自 熄灭现象，这可能由于激发态分子之间的碰撞引起能量损 失。假如荧光物质的吸收光谱和发射光谱有较大的重叠， 由荧光物质发射的荧光，有一部分可能会被它自身的基态 分子所吸收，这种现象称为自吸收。随荧光物质浓度的增 加，自吸收现象将会加剧。
荧光—荧光分析法
光致发光：以光源来激发而发光 磷光—磷光分析法
化学发光：以化学反应能激发而发光—化学发光分析
法
光谱分析法概论(共76张PPT)全
(1) 简并：振动形式不同，但振动频率相同，产生简并。
(2) 红外非活性振动：振动过程中分子偶极矩不发生变化。
（或说偶极矩变化为0），正负电荷重心重合 r = 0 因为µ= q·r = 0 ，Δµ= 0；红外线是个交替磁场，若
Δµ= 0，则不产生吸收。
(3) 仪器分辨率太弱。 (4) 峰太弱。
☆产生红外光谱两个必要条件：
苯环和发色团相连，使E2和B带均长移, ε大 E2，K 带合并，有的就称为K带
基本原理和基本概念
苯的乙醇溶液
基本原理和基本概念 (四)影响因素 溶剂效应 ① n→π* 极性 短移 π→π* 极性 长移 ②影响吸收强度
③影响精细结构：苯在乙醇中（极性） 精细结构消失
基本原理和基本概念
基本原理和基本概念
3080-3030 cm-1 re 平衡位置原子间距离 差频峰： ν1-ν2 亚甲基的伸缩振动形式示意图
即：不对称分子，Δµ大
质谱法
确定分子的原子组成、相对分子质量、分子
式和分子结构。经常与UV、IR及NMR等配合 运用。
光学分析仪器的基本组成
紫外光谱 Ultraviolet absorption spectra
3. n→π* :含有杂原子的不饱和基团，近紫外区， ε很小 例如：-C=O: ,-C≡N:
4. n→σ* :远紫外区，含有杂原子的饱和基团， 例如：-OH,-NH2,-X,-S
σ→σ*> n→σ*≥π→π*> n→π*
基本原理和基本概念
（二）紫外光谱中常用术语
生色团 — 结构中有π→π*或 n→π*的基团，
50 ~ 500 µm 远红外(far-infrared)
红外光区的划分与跃迁类型
注意波数和波长的换算关系
(2) 红外非活性振动：振动过程中分子偶极矩不发生变化。
（或说偶极矩变化为0），正负电荷重心重合 r = 0 因为µ= q·r = 0 ，Δµ= 0；红外线是个交替磁场，若
Δµ= 0，则不产生吸收。
(3) 仪器分辨率太弱。 (4) 峰太弱。
☆产生红外光谱两个必要条件：
苯环和发色团相连，使E2和B带均长移, ε大 E2，K 带合并，有的就称为K带
基本原理和基本概念
苯的乙醇溶液
基本原理和基本概念 (四)影响因素 溶剂效应 ① n→π* 极性 短移 π→π* 极性 长移 ②影响吸收强度
③影响精细结构：苯在乙醇中（极性） 精细结构消失
基本原理和基本概念
基本原理和基本概念
3080-3030 cm-1 re 平衡位置原子间距离 差频峰： ν1-ν2 亚甲基的伸缩振动形式示意图
即：不对称分子，Δµ大
质谱法
确定分子的原子组成、相对分子质量、分子
式和分子结构。经常与UV、IR及NMR等配合 运用。
光学分析仪器的基本组成
紫外光谱 Ultraviolet absorption spectra
3. n→π* :含有杂原子的不饱和基团，近紫外区， ε很小 例如：-C=O: ,-C≡N:
4. n→σ* :远紫外区，含有杂原子的饱和基团， 例如：-OH,-NH2,-X,-S
σ→σ*> n→σ*≥π→π*> n→π*
基本原理和基本概念
（二）紫外光谱中常用术语
生色团 — 结构中有π→π*或 n→π*的基团，
50 ~ 500 µm 远红外(far-infrared)
红外光区的划分与跃迁类型
注意波数和波长的换算关系
光谱分析 ppt课件
光度准确度测试方法主要有标准溶液法和滤光片法。 标准溶液多采用酸性重铬酸钾溶液。
(三)光度线性范围
指仪器光度测量系统对于照射到接收器上的辐射功率与 系统的测定值之间符合线性关系的功率范围，即仪器的 最佳工作范围。
检测方法——溶液稀释法：配制适当浓度的溶液，按照 一定的倍数逐步稀释，分别测定其吸光度，根据测得的 吸光度计算吸光系数，以吸光度为横坐标，相应的吸光 系数为纵坐标，绘制吸光系数-吸光度曲线，曲线的平 坦区域即为仪器的线性范围。
1.被测物在一个波长上有最大吸收峰，在另一个波长上没有 吸收或很少吸收；
2.非被测物在两个波长上的吸收相同。
双波长分光光度计优点
只要λ1、λ2选择适当，ΔA就是消除了非特征性吸收干 扰的吸光度值。将ΔA用于计算结果能较好的解决由于 非特征吸收信号（如试样的浑浊、吸收池与空气界面 以及吸收池与溶液界面的折射差别等）影响而带来的 误差，结果更准确。
双波长分光光度计
四、紫外-可见分光光度计性能 评价指标
(一)波长准确度和波长重复性 (二)光度准确度 (三)光度线性范围 (四)分辨率 (五)光谱带宽 (六)杂散光 (七)基线稳定度 (八)基线平直度
(一)波长准确度和波长重复性
波长准确度是指仪器波长指示器上所示波长值与仪器此时 实际输出的波长值之间的符合程度。
(四)分辨率
指仪器对于紧密相邻的峰可分辨的最小波长间隔，此 间隔越小分辨率越高。它是分光光度计质量的综合反 映。
单色器输出的单色光的光谱纯度、强度以及检测器的 光谱灵敏度等是影响仪器分辨率的主要因素。
(五)光谱带宽
光谱带宽（Spectral band width）是指从单色器射出的单色 光最大强度的1/2处的谱带宽度。它与狭缝宽度、分光元 件、准直镜的焦距有关，可以认为是单色器的线色散率的 倒数与狭缝宽度的乘积。
(三)光度线性范围
指仪器光度测量系统对于照射到接收器上的辐射功率与 系统的测定值之间符合线性关系的功率范围，即仪器的 最佳工作范围。
检测方法——溶液稀释法：配制适当浓度的溶液，按照 一定的倍数逐步稀释，分别测定其吸光度，根据测得的 吸光度计算吸光系数，以吸光度为横坐标，相应的吸光 系数为纵坐标，绘制吸光系数-吸光度曲线，曲线的平 坦区域即为仪器的线性范围。
1.被测物在一个波长上有最大吸收峰，在另一个波长上没有 吸收或很少吸收；
2.非被测物在两个波长上的吸收相同。
双波长分光光度计优点
只要λ1、λ2选择适当，ΔA就是消除了非特征性吸收干 扰的吸光度值。将ΔA用于计算结果能较好的解决由于 非特征吸收信号（如试样的浑浊、吸收池与空气界面 以及吸收池与溶液界面的折射差别等）影响而带来的 误差，结果更准确。
双波长分光光度计
四、紫外-可见分光光度计性能 评价指标
(一)波长准确度和波长重复性 (二)光度准确度 (三)光度线性范围 (四)分辨率 (五)光谱带宽 (六)杂散光 (七)基线稳定度 (八)基线平直度
(一)波长准确度和波长重复性
波长准确度是指仪器波长指示器上所示波长值与仪器此时 实际输出的波长值之间的符合程度。
(四)分辨率
指仪器对于紧密相邻的峰可分辨的最小波长间隔，此 间隔越小分辨率越高。它是分光光度计质量的综合反 映。
单色器输出的单色光的光谱纯度、强度以及检测器的 光谱灵敏度等是影响仪器分辨率的主要因素。
(五)光谱带宽
光谱带宽（Spectral band width）是指从单色器射出的单色 光最大强度的1/2处的谱带宽度。它与狭缝宽度、分光元 件、准直镜的焦距有关，可以认为是单色器的线色散率的 倒数与狭缝宽度的乘积。
第五章 发光光谱
影响辐射跃迁过程的不仅是该过程的初态和末态的 能级位置及其性质，在激发过程的其它能级以及有关的 非辐射过程也常对辐射跃迁过程有不同程度的影响。
分立发光中心：发光过程从吸收激发能量到发射光子都 在一个中心内部进行。 复合发光：作为发光中心的离子的外壳层电子受晶体场 的作用很强，以致在被激发后可以进入导带（或空穴被 激发进入价带），被激发了的载流子重新复合而发光。 分立中心的发光光谱主要决定于发光中心本身的能 级结构；复合发光的发光光谱则主要决定于主晶格结构， 当然发光中心本身也有一定影响。
周围离子的“位 形”Q，多数情况 下指周围所涉及的 若干个离子整体的 空间配置
图5-4 位形坐标图
当电子跃迁到e态后
周围离子调整其位形，最后达 到新的平衡点c。电子把一部 分能量交给了晶格，即发射 了若干电子
当电子由e态跃迁回g态时
一种途径是沿图中C-D-A过程 C-D发射光子hv2，D-A过程中 将一部分能量散发给晶格 hv2<hv1,即发射光谱 线位于吸收光谱线的 低能侧，这就是斯托克 斯定律。hv1-hv2就是 斯托克斯位移
C：低温恒温器
CH：锁相放大器配用的斩波器
为得到尽可能大的信号，需仔细调整光路，使试样 发射的光束聚焦于单色仪的入射狭缝上，而使样品反射 的激发光束偏离狭缝。 在X-Y记录仪上，Y轴记录的是经由光电倍增管检测， 锁相放大器放大的光强信号；X轴上记录的是单色仪进
行扫描时的波长或波数读数。将记录的实测曲线，经对
1.5K,紫外光 源5mW激发
图5-10 不同激发条件下的ZnSe发光谱
（2） 光致发光激发谱（PLE）和淬灭谱（PLQ）
由于光探测器输出的电信号一般很微弱，需 要有信号放大器进行放大，然后才能推动记录仪。 常用的信号放大器有测量放大器（选频放大器） 和锁相放大器。后者采用锁相技术，从而大大提
LED发光的光谱及色度分析课件
武汉工业学院毕业论文论文题目：LED发光的光谱及色度分析姓名谢鑫学号 071203210院系数理科学系专业电子信息科学与技术指导教师李鸣2011年06月08日目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第一章绪论 (1)1.1 研究背景 (1)1.2 发展的历史和现状 (1)1.3 LED的特点和分类 (2)1.4 LED测试标准及检测技术研究现状 (3)第二章相关光度学基本原理 (4)2.1 LED的发光原理 (4)2.2 LED的封装 (6)2.3 LED的主要特性 (7)2.3.1 光谱分布、峰值波长和光谱辐射带宽 (7)2.3.2 光通量 (7)2.3.3 发光强度 (8)2.3.4 色温 (9)2.3.5 发光效率 (9)2.3.6 显色性 (9)2.3.7 正向工作电压V (10)F2.3.8 V－I 特性 (10)2.3.9 P－I 特性 (10)2.4 小结 (11)第三章实验设计 (12)3.1 实验用具 (12)3.2 实验记录与数据处理 (12)3.2.1 LED光通量的测量 (12)3.2.2 测量V-I特性 (15)3.2.3 测量P－I特性 (17)3.3 结果与讨论 (19)第四章总结与展望 (20)致谢 (22)参考文献 (23)摘要LED光源现今已经广泛应用于照明领域和信息技术领域，而且有希望成为未来最主要的光源之一。
随着LED产业的快速增长，LED的光度测量仍然是一个值得探讨的问题。
本论文基于相关光度学理论，通过对现有测量LED光度特性的各种方法和标准的研究，针对LED本身作为光源所特有的结构和光学特性，提出了LED发光强度空间分布特性的测量方法及其系统设计方案，讨论了相关的测试条件，确定了测试步骤，并且分析了影响测量结果精度的可能因素。
在硬件设计方面，系统采用光栅单色仪（光谱仪），接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D采集单元，计算机及打印机组成完成整个光度测量过程。
《光致发光PL光谱》课件
PL光谱的测量方法
激发光源：激光、氙灯等 光谱仪：单色仪、光栅仪等 探测器：光电倍增管（PMT）、CCD摄像机等
PL光谱的应用领域
材料科学研究 凝聚态物理学 光电器件制造等
PL光谱的分析方法
表观荧光量子效率 峰值位置的判断 荧光寿测量等
结论
PL光谱是一种非常重要的材料分析手段，可以提供材料的光电特性信息。 测量PL光谱需要一定的仪器和技术支持，但在凝聚态物理学、材料科学等领 域具有广泛的应用前景。
《光致发光PL光谱》PPT 课件
光致发光PL光谱是一种重要的材料分析手段，通过分析光的激发和发射来了 解材料的光电特性。本课件将介绍PL光谱的定义、测量方法、应用领域以及 分析方法。
什么是光致发光PL光谱？
光致发光（PL）是光在材料中引起电子的激发，并发射出光子的现象。 PL光谱分析材料的光电性能的重要手段，可以了解材料的能带结构、激发程度、缺陷等信息。
光谱分析技术ppt课件
→* n→*
π*
>
>
>
n
π
σ
反键轨道
非键轨道 成键轨道 成键轨道
基本原理
1.σ→σ* 跃迁： 饱和烃（ C-C，C-H ） 能量很高，λ<150 nm
2. n→σ* 跃迁： 含杂原子饱和基团（-OH，-NH2） 能量较大，λ150~250 nm
3. π→π*跃迁： 不饱和基团（C=C，C ≡ C ） 能量较小，λ~ 200nm
脂
番茄红素
番茄红素在溶剂正己烷中的谱图
番茄红素在溶剂石油醚中的谱图
生物分子的紫外-可见吸收光谱
蛋白质
Proteins in solution absorb ultraviolet light with
absorbance maxima at 280 and 200 nm. Amino acids
with aromatic rings are the primary reason for the
共轭体系，E更小，λ> 200nm 4. n→π*跃迁：
含杂原子不饱和基团（C ≡N ，C=O ） 能量最小，λ 200~400nm
影响紫外-可见吸收光谱的因素
1 共轭效应
共轭体系越长， π与π*的能量差越小，红移效应和
增色效应越明显。
2 立体化学效应
空间位阻、跨环效应
3 溶剂的影响
溶剂效应
4 体系pH的影响
荧光强度与浓度的关系
荧光的淬灭
荧 光 淬 灭：荧光分子与溶剂分子或其它溶质分子 相互作用引起荧光强度降低或消失的现象。
荧光淬灭剂：这些溶剂分子或其它溶质分子称为荧 光淬灭剂（如卤素离子、重金属离子、 氧分子、硝基/羰基/羧基化合物等）。
π*
>
>
>
n
π
σ
反键轨道
非键轨道 成键轨道 成键轨道
基本原理
1.σ→σ* 跃迁： 饱和烃（ C-C，C-H ） 能量很高，λ<150 nm
2. n→σ* 跃迁： 含杂原子饱和基团（-OH，-NH2） 能量较大，λ150~250 nm
3. π→π*跃迁： 不饱和基团（C=C，C ≡ C ） 能量较小，λ~ 200nm
脂
番茄红素
番茄红素在溶剂正己烷中的谱图
番茄红素在溶剂石油醚中的谱图
生物分子的紫外-可见吸收光谱
蛋白质
Proteins in solution absorb ultraviolet light with
absorbance maxima at 280 and 200 nm. Amino acids
with aromatic rings are the primary reason for the
共轭体系，E更小，λ> 200nm 4. n→π*跃迁：
含杂原子不饱和基团（C ≡N ，C=O ） 能量最小，λ 200~400nm
影响紫外-可见吸收光谱的因素
1 共轭效应
共轭体系越长， π与π*的能量差越小，红移效应和
增色效应越明显。
2 立体化学效应
空间位阻、跨环效应
3 溶剂的影响
溶剂效应
4 体系pH的影响
荧光强度与浓度的关系
荧光的淬灭
荧 光 淬 灭：荧光分子与溶剂分子或其它溶质分子 相互作用引起荧光强度降低或消失的现象。
荧光淬灭剂：这些溶剂分子或其它溶质分子称为荧 光淬灭剂（如卤素离子、重金属离子、 氧分子、硝基/羰基/羧基化合物等）。
《分子发光光谱》PPT课件
共振荧光(Resonance)：
λex = λem
2020/12/31
h
7
电子重态示意图
基态单重态
激发单重态
激发三重态
2020/12/31
h
8
• 分子中电子的运动状态除了电子所处的能级外， 还包含有电子的多重态，用M=2S+1表示，S 为各电子自旋量子数的代数和，其数值为0或1
• 根据Pauli不相容原理，分子中同一轨道所占 据的两个电子必须具有相反的自旋方向，即自 旋配对Βιβλιοθήκη 2020/12/31h
6
（一）荧光磷光的产生
分子发光的类型
按激发的模式分类： 分子发光
按分子激发态的类型分类：
按光子能量分类：
分子发光
光致发光 化学发光/生物发光 热致发光 场致发光 摩擦发光
荧光 瞬时荧光 迟滞荧光
磷光
斯托克斯荧光(Stokes)：
λex < λem
荧光 反斯托克斯荧光 (Antistokes)：λex > λem
• 辐射跃迁主要涉及到荧光、延迟荧光或磷光的 发射
• 无辐射跃迁是指以热的形式释放多余的能量， 包括振动弛豫、内(部)转移、系间跨(窜)越及 外(部)转移等过程
2020/12/31
h
14
荧光和磷光的产生过程中能量 传递方式及作用
• 振动弛豫 • 内转移 • 荧光发射 • 系间窜跃 • 磷光发射 • 外转移 • 延迟荧光
2020/12/31
h
3
• 直到1852年，对荧光分析法具有开拓性工作的 Stokes在考察奎宁和绿色素的荧光时，用分光 计观察到其荧光的波长比入射光的波长稍为长 些，而不是由光的漫反射引起的，从而导入荧 光是光发射的概念，他还由发荧光的矿石“萤 石”推演而提出了“荧光”这一术语，他还研 究了荧光强度与荧光物质浓度之间的关系，并 描述了在高浓度或某些外来物质存在时的荧光 猝灭现象
LED光谱特性分析ppt课件
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
光纤介绍
❖ 在光纤的数值孔径范围 ❖ 光纤光学设计 内的光线将被反射并通 过光纤传播
❖ 数值孔径大小由制造光 纤的纤芯和包层材料决 定
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
实验内容
❖ 测量LED 光谱管 Na灯 Hg灯 LD 的谱线 ❖ 与标准谱比对，记录实验所测谱线 ❖ 分析LED白光与单色光的谱线区别 ❖ 了解光电器件的光谱特性
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
实验原理
❖ 光谱(Spectrum)，全称为光学频谱，是复色 光通过色散系统（如光栅、棱镜）进行分光 后，依照光的波长（或频率）的大小顺次排 列形成的图案。
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000
0
wavelength
intensity
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000
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。
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
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
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。
e-D+
e-h e-h
e-A
声子参与
D-h
D-A
(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；
2、杂质识别 根据特征发光谱线的位置，可以识别GaAs和GaP
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。
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；
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。
e-D+
e-h e-h
e-A
声子参与
D-h
D-A
(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；
2、杂质识别 根据特征发光谱线的位置，可以识别GaAs和GaP
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。
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；
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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
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
9
湘潭大学材料与光电物理学院
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。
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
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
3
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。
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
ZnO:Zn磷光体在不同温度下的 激子光谱
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
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。
1
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。
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。
2
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
7
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。
（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
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。”
另外，这些鳞状物的下方也有一个专门的“镜子”，这与发光二
6
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
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
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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
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
9
湘潭大学材料与光电物理学院
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。
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
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
3
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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。
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
ZnO:Zn磷光体在不同温度下的 激子光谱
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
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。
1
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。
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。
2
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
7
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。
（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
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。”
另外，这些鳞状物的下方也有一个专门的“镜子”，这与发光二
6
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