光致发光实验
光致发光(PL)光谱583课件
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。
发光原理实验指导书
电子科技大学光电信息学院本科教学实验指导书（实验）课程名称：发光原理基础电子科技大学教务处制表实验一、材料的光致发光研究一、 实验目的：1、 了解发光材料的激发和发射过程2、 掌握用荧光分光光度计测量发光材料激发光谱和发射光谱的测量方法 二、 实验原理：发光材料在人们的日常生活和生产实践中得到了越来越广泛的应用，适当的材料吸收高能辐射后，接着就发出光，其发射出的光子能量比激发辐射的能量低。
具有这种发光行为的物质就称为发光物质。
发光物质在将某种形式的能量转化为电磁辐射时，仅伴随极少量的热辐射，因此与热辐射发光具有本质的区别。
发光材料由基质和激活剂（发光中心）组成，例如典型的发光物质Al 2O 3：Cr 3+和Y 2O 3：Eu 3+，它们的基质分别为Al 2O 3和Y 2O 3，激活剂分别为Cr 3+和Eu 3+。
发光物质可以被多种形式的能量激发，紫外或可见光激发荧光粉发光的光致发光，激发光的波长可以改变，很容易的知道辐射能在激发什么和激发哪里。
正因为如此，研究材料的激发光谱、发射光谱成为发光材料研究的重要手段。
发光物质的发光过程中的光吸收、辐射跃钱、无辐射跃迁、能量传输等主要过程可以用位形坐标模型来进行解释。
图1为孤立发光中心的位形坐标模型，下部那条抛物线g 表示系统处于最低能态即基态时的能量与位形的关系。
抛物线的最低点表示离子处于平衡位置时的能量。
若将金属离子与配位体当作一个谐振子，其振动总能量为ν )21v (Ev +=，其中，v 是谐振量子数，v=0，1，2，…正整数；ν是谐振子的振动频率。
在绝对零度时，在最低振动能级0v 时系统最有可能处在R 0点。
发光中心占据基态最低振动能级，中心离子周围的配位体在距中心大约为R 0的位置上作平衡振动。
在较高温度下，也可占据较高的振动能级。
上述关于基态的论述同样适用于激发态，只是具有不同的平衡位置和键力常数。
在图1中上部那条抛物线e 就表示系统处于激发态时的情况，它的抛物线位移了ΔR 。
光致发光光谱
光致发光光谱光致发光，也称为分子磁振光谱，是一种利用激发态分子的吸收光谱以及由此产生的发射光谱的实验技术，可以用来研究物质的分子结构和构成。
通常， solar-induced fluorescence spectroscopy（SIFS）被用于测量由自然光（如太阳光）激发的物质的发射光谱，而物质发射的能量融入了物质的分子结构和构成。
因此，对于利用光致发光来研究分子结构和构成的科研人员而言，有效的利用太阳光激发的发射光谱是我们需要解决的关键任务之一。
在这方面，光致发光光谱可以被用来研究吸收光谱和发射光谱之间的关系，从而更好地了解物质的结构和构成。
而且，光致发光的实验可以在不同的温度和压强条件下进行，这使得实验可以更好地反映出物质的真实性质。
但是，由于分子杀灭现象，光致发光不能用于探测细微的能量差异，该差异表明物质的结构与构成是否有一定的差异。
因此，在利用光致发光光谱研究分子结构和构成时，应特别采用一些特殊的实验技术，以确保能量变化的准确测量。
另外，光致发光光谱还可以通过记录发射光谱的变化来研究物质的性质。
通过记录发射光谱的变化，可以了解物质体系中由于不同原因而受到的影响。
例如，使用光致发光光谱，可以用来研究受热，冷却，交联和其他物理和化学变化对物质结构和构成的影响。
这样可以帮助我们更好地认识物质的性质，进一步推动物质结构和构成的研究，以及更好地应用物质的性质。
此外，光致发光光谱也可以用于实验研究物质的物理和化学属性。
例如，在大气建模和污染物检测等方面，光致发光光谱可以用来确定物质的物理和化学特性。
这样可以有助于更好地预测大气污染物的浓度变化，从而更好地应用物质的特性。
总之，光致发光光谱是一种非常有用的实验技术，可以用来研究物质的结构和构成、发射光谱的变化以及物质的物理和化学特性。
它可以帮助我们更好地理解物质的性质，推进物质结构和构成的研究，以及开展更好的实验研究。
光致发光谱的测试步骤
光致发光谱的测试步骤
光致发光谱是一种测试材料在受到光激发后所发射的光的能量分布的方法。
以下是光致发光谱的一般测试步骤：
1. 准备样品：选择需要测试的材料，并将其制备成适合测试的样品形式，如固体、液体或薄膜。
2. 设置仪器：根据测试要求，选择适当的光激发源和光收集系统。
确保光源和检测器都被校准并按照正确的设置工作。
3. 调整光激发条件：根据材料特性和预期的测试结果，调整光激发源的功率、波长和激发时间。
这可以通过改变光源的滤光片、换光源或调整激发时间等方式来实现。
4. 开始测试：将样品放置在适当位置，并打开光激发源以激发材料。
使用适当的光收集系统收集样品发射的光信号。
5. 记录发光谱：将收集到的光信号通过光谱仪或光检测系统进行记录和分析，得到样品在各个波长下的发光强度。
6. 数据分析：根据所得到的发光谱数据，分析材料的发光特性，包括峰值位置、峰值强度、发光衰减等。
可以利用此数据来确定材料的性质，如材料的能带结构、缺陷能级等。
7. 结果解释：根据数据分析的结果，解释样品的发光特性并与已有的理论或文献进行对比和验证。
需要注意的是，以上步骤只是一般的光致发光谱测试步骤，具体的实验步骤和方法会根据不同的实验目的和样品特性有所不同。
因此，在具体实施光致发光谱测试时，需要根据实际情况进行调整和优化。
光致发光(PL)光谱
e-D+
e-h e-h
e-A
声子参加
D-h
D-A
(a)
(b)
(c)
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。
通过光致发光光谱计算激子解离效率
光致发光光谱（photoluminescence spectrum, PL谱）是一种常用的表征半导体材料光学性质的手段。
通过激发光源照射样品，测量样品发射的光谱特性，可以得到样品的发光峰值、半导体材料的载流子寿命和激子解离效率等重要信息。
本文将通过光致发光光谱计算激子解离效率的相关理论及计算方法进行探讨。
1. 光致发光光谱的基本原理光致发光光谱是指当外界光照射到样品后，通过测量样品发射光的能谱和强度变化，研究样品内部载流子的复合和发光过程。
在激子体系中，激子解离是一个重要的过程，激子的解离效率对半导体材料的发光性能有着重要影响。
通过光致发光光谱可以间接的推断出激子解离效率，为进一步研究半导体材料的光学性质提供了重要手段。
2. 激子解离效率的计算方法激子解离效率可以通过光致发光光谱中的激子发光峰和自由载流子发光峰的位置和强度变化来计算。
在样品中，由于激发光源的作用，激子和自由载流子会产生发光，通过测量样品的光谱可以得到激子和自由载流子的发光峰值。
激子解离效率可以通过以下公式计算：激子解离效率 = (激子发光峰值 - 自由载流子发光峰值) / 激子发光峰值其中，激子发光峰值和自由载流子发光峰值分别为在样品发光光谱中激子和自由载流子的发光峰值。
通过测量样品的光致发光光谱，并进行激子解离效率的计算，可以直观的了解激子解离过程对样品发光性质的影响。
3. 激子解离效率的影响因素激子解离效率受到多种因素的影响，主要包括材料的结构和纯度、激子的束缚能和载流子的密度等。
在材料的结构和纯度方面，晶格缺陷和杂质的存在会损害激子的稳定性，导致激子解离效率的降低。
而激子的束缚能和载流子的密度则会影响激子的形成和解离过程，进而影响激子解离效率的大小。
在研究激子解离效率时，需要综合考虑以上因素的影响，以更准确的评估半导体材料的光学性能。
4. 光致发光光谱计算激子解离效率的应用光致发光光谱计算激子解离效率是一种非常有效的手段，可以为半导体材料的光学性能研究提供重要的参考。
有机发光二极管显示器用材料光致发光光谱测试 荧光光谱法-2023标准
有机发光二极管显示器用材料光致发光光谱测试荧光光谱法1.范围本文件规定了采用荧光光谱法（FS）测定有机发光二极管（OLED）显示器用有机材料的光致发光光谱的测试方法。
本文件适用于测定有机发光二极管（OLED）显示器用有机材料的光致发光光谱的测试。
2.规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。
凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T 20871.2-2007 有机发光二极管显示器第2部分：术语与文字符号GB/T 19267.3-2008 刑事技术微量物证的理化检验第3部分：分子荧光光谱法JJG 537-2006 荧光分光光度计检定规程3.术语和定义GB/T 20871.2-2007和GB/T 19267.3-2008界定的以及下列术语、定义适用于本文件。
3.1.最强激发波长 max excitation wavelength激发样品使其产生最强荧光的入射光波长，用λex,max 表示。
3.2.室温发射波长 room temperature emission wavelength室温（298K）条件下物质所发射的荧光强度最大的波长，用λem,max表示。
3.3.低温发射波长 low temperature emission wavelength低温（77 K）条件下物质所发射的荧光强度最大的波长，用λem,max表示3.4.荧光光谱法 fluorescence spectrometry根据获得的荧光激发光谱、发射光谱等参数对物质进行定性、定量和结构分析的方法。
3.5.第一电子激发单重态 first singlet excited state；S1电子在跃迁过程中不发生自旋方向的变化，这时分子中具有两个自旋配对的电子，分子处于激发的单重态，用 S1表示，见图1。
3.6.第一电子激发三重态first triplet excited state；T1电子在跃迁过程中伴随着自旋方向的变化，这时分子中具有两个自旋不配对的电子，分子处于激发的三重态，用 T1表示，见图1。
光致发光谱的测试步骤
光致发光谱的测试步骤光致发光谱（photoluminescence spectrum）是一种通过激发样品使其发光，然后测量发出的光的特性来研究材料性质的测试方法。
以下是光致发光谱测试的一般步骤：1.准备工作在进行光致发光谱测试之前，需要准备好测试所需的器材和试验材料。
同时，还需进行实验室的安全检查，确保实验室环境的安全性。
2.准备样品将待测试的样品准备好，通常可以是固体、液体或气体。
固体样品需要制备成适合测试的样品片，确保其表面光滑且杂质少；对于液体样品，需要放置在试管或石英池中；气体样品需要通过一定的装置将其引入到测试系统中。
3.激发光源的选择根据样品的性质和要研究的特定光学过程，选择适当的激发光源。
通常使用可以提供足够激发能量的激光器或光电灯作为激发光源。
4.设置实验装置将激发光源和探测系统等设备正确装置在实验台上。
激发光源通过光学透镜或反射镜对样品进行照射，然后通过光栅或单色器选择出特定波长的发射光。
5.调节能量和波长确保激发光源的能量和波长符合实验要求。
激光器或光电灯的能量应调整到适当的水平，以确保样品受到足够的激发能量，但又不会造成样品过度激发导致样品损伤。
6.收集发射光使用光学透镜或反射镜收集样品发出的光，并将其引导至光学探测器（如光电multiplier tube，charge-coupled device detector 等）进行检测和测量。
7.记录数据将光学探测器检测到的光的强度数据记录下来。
通常，可以通过计算机软件进行实时数据采集和分析，以获得更精确的结果。
8.分析光致发光谱根据实验数据，对光致发光谱进行分析。
可以通过调整激发光源的能量和波长来观察样品发出的光的特性，如峰值波长、峰值强度、发射谱的形状等。
同时，还可以通过与已知材料的发射谱进行对比来确定样品的组成或性质。
9.数据处理和结果分析对实验得到的数据进行处理和分析。
使用适当的数据处理方法和数学模型，可以从光致发光谱中提取出更多信息，如能带结构、载流子浓度、载流子寿命等。
pl光致发光光谱测试条件
pl光致发光光谱测试条件一、测试目的光致发光（PL）光谱测试是一种用于研究材料发光特性的重要手段。
通过PL光谱测试，可以了解材料的发光性质、能级结构以及材料内部的缺陷和杂质等信息。
本测试条件旨在规范PL光谱测试的实验操作流程，确保测试结果的准确性和可靠性。
二、测试原理光致发光（PL）光谱是材料在吸收光子后，将能量转化为荧光发射的现象。
PL 光谱反映了材料内部能级结构、缺陷和杂质等信息。
通过对PL光谱的分析，可以了解材料的发光性质、能级结构以及材料内部的缺陷和杂质等信息。
三、测试条件1. 样品准备（1）样品应具有代表性，能够反映材料的整体性能。
（2）样品应清洁、干燥，无杂质和污染物。
（3）样品尺寸应适中，以便于测试和观察。
2. 测试环境（1）实验室温度应保持在20±5℃。
（2）实验室湿度应保持在50±5%。
（3）实验室应保持清洁、无尘，避免影响测试结果。
3. 光源选择（1）选择合适的激光光源，确保其波长、功率和稳定性满足测试要求。
（2）激光光源的波长范围应覆盖样品发光的主要波段。
4. 样品处理（1）对于固体样品，应将其研磨成粉末或薄片，以便于测试。
（2）对于液体样品，应将其稀释至适当浓度，以便于测试。
5. 测试参数设置（1）设置合适的激发波长和发射波长范围，以便于捕捉样品的PL光谱。
（2）设置合适的扫描速度和步长，以便于获得准确的PL光谱。
6. 数据处理与分析（1）对获得的PL光谱进行去噪、平滑等处理，以提高数据质量。
（2）对PL光谱进行拟合和分析，提取发光峰位、强度等信息。
四、注意事项1. 在进行PL光谱测试前，应对样品进行充分的了解和研究，以便选择合适的测试条件和方法。
2. 在测试过程中，应注意保护眼睛和皮肤，避免长时间暴露在激光光源下。
3. 在数据处理和分析过程中，应注意数据的准确性和可靠性，避免误导实验结果。
光致发光和电致发光谱概述
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
21
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。
光致发光实验报告
光致发光实验报告光谱光致发光光谱（Photoluminescence,简称PL)，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。
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。
光致发光光谱是一种探测材料电子结构的方法，它与材料无接触且不损坏材料。
光直接照射到材料上，被材料吸收并将多余能量传递给材料，这个过程叫做光激发。
这些多余的能量可以通过发光的形式消耗掉。
由于光激发而发光的过程叫做光致发光。
光致发光的光谱结构和光强是测量许多重要材料的直接手段。
光激发导致材料内部的电子跃迁到允许的激发态。
当这些电子回到他们的热平衡态时，多余的能量可以通过发光过程和非辐射过程释放。
光致发光辐射光的能量是与两个电子态间不同的能级差相联系的，这其中涉及到了激发态与平衡态之间的跃迁。
激发光的数量是与辐射过程的贡献相联系的。
光致发光光谱可以应用于：带隙检测，杂质等级和缺陷检测，复合机制以及材料品质鉴定。
PL光致发光光谱测量系统PL光致发光光谱测量系统介绍光致发光（photoluminescence）即PL，是用紫外、可见或红外辐射激发发光材料而产生的发光。
PL荧光测量系统是用短波长激光（如325nm/442nm等）激发材料（如GaN/ZnO）产生荧光，通过对其荧光光谱的测量，分析该材料的光学特性。
典型应用于LED发光材料、半导体材料的研究。
系统组成：光源系统+分光系统＋样品检测系统＋数据采集及处理系统＋软件系统＋计算机系统★常温系统可升级到低温系统■ ZLX-PL-Ⅰ型(II型)PL光致发光光谱测量系统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，它大致经过吸收、能量传递及光发射三个主要阶段，光的吸收及发射都发生于能级之间的跃迁，都经过激发态。
而能量传递则是由于激发态的运动。
光致发光技术PL(PhotoLuminescence)分析结晶硅片及电池片
定。 ＾ （ ＝ （） Ｊ ） ） ＾ ０ Ｋ
｝
Ｒ● ■ ｖ●∞ ● ．ｏｎ ｈ ｂ瞳
相 临 近 原 生 硅 片 （ ｓ ｕ ）分 别 以 不 同 制 Ａ ｔ， Ｃ 程 包 括 ： 散 及 氮 化 后 （ ｆ ｒ ｈｓｈ ｒ ｓ 磷扩 Ａｔ ｏｐｏｏ ｅＰ ｕ
Ｔ ｃ ｎ ｏ ｙ 技术 ｅ ｈ ｏｌｇ
光致发光技术 Ｐ （ ｈ ｔＬ ｍｉｅｃｎ ｅ Ｌ Ｐ ｏｏ ｕ ｎ ｓｅ ｃ ） 分析结 晶硅 片及 电池 片
ＢＴ Ｉ ｇ ｎ ｔ ｔ Ｔ． ｕ ｋ ， Ａ． ａ ｄ ｓ ｍａ ｉｇ Ｐ ｙ Ｌ ｄ Ｔｒ ｐ ｅ Ｒ． Ｂ ｒ ｏ
ＲＥＣ Ｓｃ ｎ ａ ｅ ａ Ｗ ｆｒ ＡＳ， ｏ ｓ ｒ ｎ ， ｒ ｙ Ｊ Ｎｙ ｕ Ｐ ｒｇ ｕ ｎ Ｎｏ ｗａ ． ｈ ｓ
发 射 极 磷扩 散 （ ｔ ｕ ｅ ｉｅ ｄ ｕｉ Ｗｉ ｏｔ ｍｔｒ ｉ ｓ ｎ， ｈ ｔ ｆ ｏ ｗｔＳＮｆｉｇ ， ｉ ｉ ｉ ｎ ）网印电池片（ ｕ ｙ ｒｃｓｅ ｈ ｃｕｔ ｒｔ ｆ ｍ Ｌ ｉ ａｉ ｄ ｍ ｎ ｓ ｎ ｖｒ ｅ ｏ ｎ ａ ｒ Ｐ ｍ ｇ ｇ ｉ ｇ ｅ ｏ ｎ
ｍｅ ｓ ｒｄ Ｏ ｓ ｃ ｔｗ ｆｒ ｓａｌｎ ｔ ｎ ｏ ｈ ｏｉ ｏ ｊ ａｕ ｅ Ｈ ａ－ ｕ ａｅｓａ ｃ ｏ ｆｔｅｐ ｓｔ ｎ ｎ ｉ ｉ
仅在研 究开发方面， 也适合在线硅 片高速分选 。
珠宝玉石鉴定光致发光法
珠宝玉石鉴定光致发光法1 范围本标准规定了珠宝玉石鉴定中光致发光法的相关术语和定义、方法原理、实验方法、影响因素、结果表示等。
本标准适用于珠宝玉石的光致发光法鉴定。
2 术语和定义下列术语和定义适用于本文件。
2.1光致发光photoluminescence以紫外光或可见光等电磁波激发珠宝玉石内电子，使其从激发态向基态或其他较低能态进行电子跃迁而使离子、分子或晶体发出非热辐射的光发射。
2.2荧光 fluorescence珠宝玉石在激发光源照射下，发出可见光的现象，发光持续时间小于10-4s～10-6s甚至更短。
2.3磷光 phosphorescence激发光源撤除后，珠宝玉石在短时间内继续发光的现象，发光持续时间大于10-2s～10s甚至更长。
2.4荧光淬灭fluorescence quenching导致特定物质的荧光强度和寿命减少的现象。
2.5激发光谱excitation spectrum反映物质对于外来激发光的响应，反映物质辐射能量强度随激发波长的变化关系。
2.6光谱分辨率spectral resolution仪器分辨相邻发光峰的能力，由两个发光峰能分开的最小波长间隔表示。
2.7波长准确性wavelength accuracy不考虑随机误差的情况下，仪器显示波长与标称波长相一致的能力。
一般用多次测定波长的算术平均值与标称值的差值表示。
2.8标准具效应etaloning effect由探测器上下表面、探测器窗口玻璃或探测器镀膜对入射光二次反射后形成干涉，在探测器上形成明暗相间的干涉条纹，在光谱图像上表现为波浪状的干扰信号。
2.9强度定标intensity calibration根据光谱仪定标方程和定标系数，将其记录的探测器电子计数值转换成对应能量强度分布的过程。
2.10归一化强度normalized Intensity为方便谱图间的比较，对强度进行归一化处理后用以表示谱图强度的标量，单位为 (arbitraryunit 缩写A.U.)。
第三代半导体的光致发光光谱测量
第三代半导体的光致发光光谱测量在当今科技迅猛发展的世界中，半导体技术一直处于飞速的进步和突破之中。
尤其是第三代半导体，作为半导体领域的新生力量，其在光电子学、光通信、能源领域等方面展现出了巨大的应用前景。
其中，光致发光光谱测量作为第三代半导体研究和应用中的重要手段之一，对于研究半导体材料的发光特性、电子结构等方面起着重要作用。
本文将就第三代半导体的光致发光光谱测量进行探究和分析，以期为读者提供全面、深入的了解和认识。
一、光致发光光谱测量的基本原理1. 光致发光光谱测量是通过外加光激发样品，使其处于激子态或电子激发态，然后测量样品在激发态返回基态时所发射出的光子能量和强度，从而获得样品的光致发光光谱信息。
2. 光致发光光谱测量主要包括时间分辨光致发光谱和能量分辨光致发光谱两种类型，通过这两种测量手段可以获得不同的半导体材料的发光特性和结构信息。
3. 光致发光光谱测量常用的激光器包括脉冲激光器和连续激光器，这些激光器的选择和调节对于光致发光光谱测量的准确性和可靠性具有重要影响。
二、第三代半导体在光致发光光谱测量中的应用1. 第三代半导体材料如氮化镓、碳化硅等具有直接能隙结构，因此在光致发光光谱测量中表现出良好的发光性能和宽广的光谱范围。
2. 通过光致发光光谱测量可以研究第三代半导体材料的能带结构、电子态密度、载流子寿命等重要参数，为其在光电子学和光学器件中的应用提供重要参考。
3. 第三代半导体材料的光致发光光谱测量也为其在发光器件、光伏器件、激光器件等方面的研究和开发提供了有力的手段和支撑。
三、个人观点与总结光致发光光谱测量作为研究半导体材料发光特性和电子结构的重要手段，在第三代半导体领域具有重要的应用和意义。
通过光致发光光谱测量可以深入了解半导体材料的发光机制、载流子动力学、材料缺陷等重要信息，为新型半导体材料的研究、开发和应用提供了重要的支撑。
随着第三代半导体领域的不断进步和发展，光致发光光谱测量将在更多的领域发挥出重要作用，为半导体技术的发展做出更大的贡献。
光致发光和电致发光谱课件
电致发光的未来发展
1 2 3
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。
第三代半导体的光致发光光谱测量
第三代半导体的光致发光光谱测量光致发光光谱测量（Photoluminescence Spectroscopy，简称PL），是一种常用的实验手段，用于研究材料的光电性能。
随着纳米技术和半导体材料的发展，第三代半导体材料作为一种新兴材料备受关注。
本文将介绍第三代半导体材料的光致发光光谱测量方法及应用。
一、第三代半导体材料的概述第三代半导体材料是指那些相较于传统半导体具有更好性能的新型材料。
常见的第三代半导体材料包括有机半导体材料、有机无机杂化材料以及低维半导体材料等。
这些材料具有较高的载流子迁移率、较高的光电转换效率和更宽的光学吸收范围等特点，被广泛应用于光电器件、光催化等领域。
二、PL测量方法的原理光致发光光谱测量是通过照射样品后，通过测量材料在可见光范围内的发光强度和能量分布来研究材料的光学性质。
具体操作中，首先需要将样品暴露于激光或LED光源的照射下，激发样品中的载流子，随后通过荧光探测器收集样品的发光信号。
最后，利用光谱仪分析并记录样品的发光强度和发光能量分布。
通过对光谱特征的研究，可以详细了解材料的光致发光机制和能带结构。
三、PL测量的实验步骤PL测量的实验步骤通常包括样品的制备、光源和荧光探测器的选择、实验条件的调节以及数据的采集和分析等几个方面。
1. 样品的制备样品的制备是PL测量的基础。
通常要求样品具有一定的光学质量和纯度，以保证测量结果的准确性。
制备过程主要包括样品的切割、抛光和清洗等步骤，确保样品表面光洁度和无杂质。
2. 光源和荧光探测器的选择在PL测量中，合适的光源和荧光探测器的选择对于实验结果的准确性至关重要。
光源可以选择激光或LED，其波长和功率应根据样品的特性和实验需求进行调节。
荧光探测器应具有高增益、低噪声和高灵敏度等特点，以保证测量信号的清晰和稳定。
3. 实验条件的调节PL测量时，实验条件的调节对测量结果也有一定的影响。
常用的实验参数包括激发光功率、激发光波长、测量温度和样品的加工状态等。
光致发光光谱原理
光致发光光谱原理
光致发光光谱（Photoluminescence spectroscopy）是一种通过
激发材料后测量其发射光谱的技术。
其原理基于光致发光效应，当材料受到入射光的激发后，电子从基态跃迁到激发态，再由激发态退回到基态时会发射出光子。
光致发光光谱实验通常通过以下步骤进行：
1. 光源激发：使用一定波长的光源照射材料样品，激发材料内的电子从基态跃迁到激发态。
常用的激发源包括连续激光、激光脉冲和X射线等。
2. 光子发射：激发后的电子会在激发态停留一段时间，随后通过自发辐射的方式返回基态。
在这个过程中，电子会释放出与能带结构相关的能量，发射出特定频率的光子。
3. 光谱测量：将发射出的光子收集起来，经过光学器件（如光栅、狭缝等）进行分光，然后使用光电探测器测量不同频率的发射光强度。
4. 数据分析：通过测量到的发射光强度与波长或频率的关系，可以得到光致发光光谱。
光谱中的峰对应于材料中不同能级之间的跃迁，可以提供用于分析材料结构、能带各种物理属性的信息。
光致发光光谱可以应用于材料科学、能源研究、表面物理化学等领域，通过测量材料的激发态与基态之间的跃迁过程，可以
揭示材料的光学、电子能级结构等重要信息，有助于理解材料的物理特性和应用潜力。
pl光致发光光谱测试条件
pl光致发光光谱测试条件PL光致发光光谱测试是一种非常重要的表征材料光学性质的方法。
在此测试中，通过将样品暴露在特定波长的激发光下，可以使样品发生光致发光现象，并通过光谱仪器测量样品的发光强度和波长分布情况。
这种测试方法常用于研究材料的能带结构、载流子性质、电子-光子相互作用等。
PL光致发光光谱测试的条件包括激发光源、样品制备和测量环境等方面。
下面将对这些测试条件进行详细的介绍。
首先是激发光源。
在PL光谱测量中，激发光源是非常关键的。
常见的激发光源包括氙灯、激光器、LED等。
不同的激发光源有各自的特点和适用范围。
氙灯是一种广谱光源，可以提供连续的波长范围，适用于大部分情况下的PL光谱测量。
激光器是一种具有较高光强和单一波长的光源，可以提供高分辨率的PL光谱。
LED是一种便携式、低成本的光源，适用于一些小型PL光谱仪器。
其次是样品制备。
在进行PL光谱测量之前，需要对样品进行特定的制备工艺。
一般情况下，样品需要制备成薄膜或粉末的形式，以便光线能够穿过样品。
对于某些无法制备成薄膜或粉末的样品，也可以采用特殊的样品夹具或装置来进行测试。
此外，在制备样品时，还需要注意去除可能存在的杂质或污染物，以保证测试结果的准确性。
再次是测量环境。
PL光谱测量需要在一个相对稳定和干净的环境中进行。
首先，周围的光线应尽量减少对测试结果的影响，因此通常在黑暗的实验室条件下进行测试。
其次，温度和湿度的变化也会对测试结果造成影响，所以需要控制好实验室的温度和湿度。
此外，一些材料对氧气比较敏感，因此需要在惰性气体环境中进行测试，例如在氮气氛围下进行。
除了以上的条件外，还有一些其他的因素也需要考虑。
例如，PL 光谱仪器的特性和性能会对测试结果产生影响。
不同的光谱仪器具有不同的分辨率、灵敏度和波长范围，选择合适的仪器对测试结果的准确性和可靠性非常重要。
此外，在进行测试时，还可以通过改变激发光强度、激发光波长和测量角度等参数来探索样品的光电性质。
光致发光(PL)专题实验报告
光致发光（PL）专题实验实验一、荧光谱仪的结构及基本操作荧光光谱仪一般由光源、激发光源、发射光源、样品池、检测器、显示装置等构成。
其结构示意图如图所示。
实验所用仪器为英国Fluorosecence 9000系列仪器，光源为150W氙灯，仪器的工作波长范围为200nm－900nm，系统具有自检功能，可以记录发射光谱、激发光谱、动态实时光谱等，具有定量分析测量功能和谱图处理功能。
思考题：解释激发光谱和发射光谱，并说明激发光谱和发射光谱有什么关系？答：激发光谱(excitation spectrum )——就是反映物质受到激发以后的情况，反映出该物质对于外来激发光的响应，反映其自身辐射波长随激发波长的变化关系；发射光谱(emissionspectrum)——在某一波长光激发下处于高能级的原子或分子在向较低能级跃迁时产生辐射，将多余的能量发射出去形成的光谱。
关系：1)波长比较与激发(或吸收)波长相比，荧光发射波长更长，即产生所谓Stokes 位移。
(振动弛豫失活所致)2)形状比较荧光光谱形状与激发波长无关。
尽管分子受激后可到达不同能层的激发态，但由于去活化(内转换和振动弛豫)到第一电子激发态的速率或几率很大，好像是分子受激只到达第一激发态一样。
3)镜像对称：通常荧光光谱与吸收光谱呈镜像对称关系。
实验二、维生素B2溶液的荧光光谱一、实验准备取两粒2VB 研磨至均匀粉末，再用200ml 去离子水溶解至均匀。
二、实验步骤： 1）换好液体样品支架； 2）开启电脑、仪器； 3）打开软件进行初始化；4)严格参照仪器操作规程进行各参数设置（为确保仪器安全，信号强度<610)；5)将准备好的液体溶液倒入比色皿（约3231~）放入样品架，完成下面实验内容 三、实验内容：①本实验中由实验老师提供2VB 溶液，用365nm 光激发，记录从200-700nm 的发射光谱，找出荧光光谱中最大峰值对应的max EM λ。
②检测max EM λ，记录对应激发光谱。
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此时有
L l1 l2 0,1
S s1 s2 0,1
根据 L—S 偶合， J L S ，…， L S ，可形成的原子态有 1S0 ， 3S1 ， 1 P1 ， 3 P0,1,2 。同理可以计算 n2=3,4,…的情况。在这里只考虑与产生激光有关的 21S0 和 23S1 两个能级。 5． Ne 原子的能级
10 的-7 和-3 次方量级，故一般用短脉冲激光激励及在染料中添加三重态淬灭
剂，可有效提高染料激光的增益。连续染料激光一般用 Ar+激光器泵浦，并使染
料快速流动以补充含氧量。
激光器是一种新型光源，具有发射方向集中、亮度高、相干性优越和单色 性好等特点。
He—Ne 激光器是应用广泛的一种原子气体激光器。激光器由三部分组成： 工作物质，谐振腔和激励能源。根据使用要求的不同，有各种具体的结构形式。 图 8-3-1 是外腔式 He—Ne 激光器的示意图。R1，R2 为镀有多层介质膜的反射 镜，其中一块为部分透射，它们组成谐振腔。A 为气体放电管，内部充有一定 总气压和一定 He、Ne 混合比的气体为工作物质。D1 为阳极，D2 为阴极，与直 流高压电源相接。电源电压通过阳极钨棒和阴极铝筒加到放电管两端，形成气 体辉光放电，在毛细管中产生等离子体。等离子体中处在激发态上的氖原子是 激光工作物质，它们发生受激辐射时起光的增益放大作用。由放电管两端的高 反射膜板的反射提供光学反馈形成振荡，并从部分透射端输出，得到所需要的 激光。
3.1.1 工作原理
激活介质 Nd3+的能级结构为四能级系统，如右 图。激光产生的原理大致为：闪光灯将大量粒子泵 浦至两个高激发带，处于激发带的粒子迅速弛豫到 激光上能级４F3/2，而激光下能级４I11/2 与基态有
4S3/2 4F7/2 4F5/2 4A7/2
4F3/2
0.73m 0.9m 1.06m
1、 光谱学
光谱学是研究物质发射、吸收或散射的光、声或粒子来研究物质的方法。 光谱学也可以被定义为研究光和物质之间相互作用的学科。历史上，光谱学指 用可见光来对物质结构的理论研究和定量和定性的分析的科学分支。但是，近 来，光谱学的定义已经被扩展为一种不只用可见光，也用许多其他电磁或非电 磁辐射（如微波，无线电波，X 射线，电子，声子（声波）等）的新技术。
散射光谱学是指，当光照射到物质上时，会发生非弹性散射，在散射光中 除有与激发光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光波长长的和 短的成分，后一现象统称为拉曼效应。这种现象于 1928 年由印度科学家拉曼所 发现，因此这种产生新波长的光的散射被称为拉曼散射，所产生的光谱被称为 拉曼光谱或拉曼散射光谱。
光谱仪器一般都包括入射狭缝、准直镜、色散元件（光栅或棱镜）、聚焦 光学系统和探测器。而在单色仪中通常还包括出射狭缝，让整个光谱中一个很 窄的部分照射到单象元探测器上。单色仪中的入射和出射狭缝往往位置固定而 宽度可调，可以通过旋转光栅来对整个光谱进行扫描。
当一束复合光线进入单色仪的入射狭缝，首先由光学准直镜汇聚成平行光， 再通过衍射光栅色散为分开的波长(颜色)。利用每个波长离开光栅的角度不同， 由聚焦反射镜再成像出射狭缝。通过电脑控制可精确地改变出射波长。
的三重态，由于选择定则 s=0，单重态和
三重态之间的跃迁是不允许的。在激发光源
的作用下，分子从基态 S0 激发到 S1，在很短
时间弛豫到 S1 的最低振动态，然后，跃迁到
S0 的某振动态，发射出染料激光。
S0
虽然，S 态和 T 态之间的跃迁是禁戒的，
但通过碰撞，S1 与 T1，T1 与 S0 之间还是会有 弛豫过程发生。特别是前者导致 T1 到 T2 的跃迁，这一跃迁几乎吸收了全部从 S1 跃迁到 S0 发射的染料激光，导致激光的淬灭。只有当三重态的寿命小于系间交 叉速率时，才可能实现激光振荡。在氧饱和和无氧溶液中三重态的寿命分别为
Ar+(3p5)
(Ar+)* → Ar+(4p)
c ba
激光上、下能级分别为 Ar+(4p)和 Ar+(4s)，波长在 455nm~529nm 范围内的激光 共有 10 条，较强的有 6 条，最强的两条为 514.536nm 和 478.995nm。
Ar(3p6)
3.4 基本结构
离子激光器的发光介质是离子，由于整个系统呈电中性，离子浓度 NI 与电 子浓度 Ne 相当，故激光上能级粒子数 N2 的增加与放电电流密度的平方Ｊ2 的关
3、 光谱实验中的光源
光源指能发出一定波长范围的电磁波(包括可见光与紫外线、红外线和 X 光 线等不可见光)的物体。通常指能发出可见光的发光体。
光源主要分为：热辐射光源，例如，太阳、白炽灯;气体放电光源，例如， 炭精灯、水银灯、荧光灯等。
实验室常用激光光源简介
激光是具有高亮度、高单色性、高准直性及高度的时间空间相干性的光源。
图 1 外腔式 He-Ne 激光器的结构示意图
用受激辐射将光放大，必须使高能态的粒子数多于低能态的粒子数，即实 现上、下能级间的粒子数反转。He—Ne 激光器是通过原子碰撞实现粒子数反转 的。在放电管中充以一定比例的 He、Ne 混合气体，直流放电将 He 激发至亚稳 态。由于跃迁选择定则的限制，被激发的 He 只能通过碰撞将激发能转移给 Ne， 使 Ne 处于激光上能级，而 Ne 的激光下能级衰变很快，由此造成高、低能态之 间粒子数反转。使两能级间产生受激辐射，即可将光放大。与 He—Ne 激光器有 关的能级结构及跃迁情况如图 8-3-2 所示。图中，用符号 n2S1 LJ 表示 He 原子 的能级，采用一般激光理论中常用的帕邢(Paschen)符号标记 Ne 原子能级，它 是一种经验符号。其中基态能量取为零，纵坐标以电子伏特为单位。
染料分子的能级如右图所示。
各电子态分别由一组振动能级和转动能 S2
级组成。能级的振动间隙一般为 14001700cm-1，转动间隙一般要小 100 倍。由于
单重态
三重态
T2
液体的作用，密集的转动能级被严重展宽，
造成振动能级之间形成一个连续能带，使染 S1
料激光器具有可连续调频的特性。
T1
染料存在自旋 s=0 的单重态和自旋 s=1
2、 光谱仪
光谱分析方法作为一种重要的分析手段，在科研、生产、质控等方面，都 发挥着极大的作用。
光与物质相互作用引起物质内部原子及分子能级间的电子跃迁，使物质对 光的吸收、发射、散射等在波长及强度信息上发生变化，而检测并处理这类变 化的仪器被称为光谱仪。因此，光谱仪的基本功能，就是将复色光在空间上按 照不同的波长分离/延展开来，配合各种光电仪器附件得到波长成分及各波长成 分的强度等原始信息以供后续处理分析使用。
系为
dN 2 dt
NI Ne
N
2 e
J 2 ，即激光器的增益正比于Ｊ2。这就要求在细
的放电管内通过大电流。
大功率放电管为有效降低管壁温度，一般用高导热系数的石墨或 BeO 陶瓷 制成，并加水冷装置。为了将离子约束在放电管轴心附近，需加轴向磁场，一 般由环绕在管壁上的螺线管形成，强度一般为 400～800Gs。
为获得高重复频率短脉冲输出，一般应用调 Q 技术压缩输出激光的脉宽。 典型的常用调 Q 技术是在激光腔内插入某些具有电光效应的非线性晶体，如 KDP、LiNbO3 等，利用它们在外电场的作用下偏振面旋转，再配合起偏器和检偏 器，瞬间降低腔损耗，从而进行电光调 Q 的。如下图所示。虽然调 Q 带来约 80% 的能量损失，但其极高的脉宽压缩比，（ms／10ns）～105，还是使激光的峰值 功率提高了～104。
吸收光谱学是指，处于基态和低激发态的原子或分子吸收具有连续分布的 某些波长的光而跃迁到各激发态，形成了按波长排列的暗线或暗带组成的光谱。 光谱分析由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和 确定它的化学组成．这种方法叫做光谱分析．做光谱分析时，可以利用发射光 谱，也可以利用吸收光谱．这种方法的优点是非常灵敏而且迅速．
Nd：YAG 的受激发射截面 ~9x10-19cm2，约为红宝石激光器的 75 倍，从而 其典型阈值约为 0.3Jcm-3，比红宝石激光器的典型阈值低三个数量级。
3.1.2 脉冲 YAG 激光器
脉冲 YAG 激光器的重复频率为数十次不等。可由单只晶体棒工作，也可由 震荡级加放大级两只晶体棒工作。
脉冲 YAG 激光器一般用氙灯作为光泵浦源，由可控硅或闸流管控制其开关， 并有予燃电路予燃。聚光腔为单、双或四个椭圆柱型，YAG 棒在椭圆公共焦点， 氙灯管，在椭圆的另一焦点，并采用全腔水冷。如下图所示。
因此，He
图 8-3-2
的基态为
1与S 0
He-Ne 激光器有关的能级结构及跃迁示意图
。He 原子的激发态是一个一个电子始终处于 1s 态，第二个电子被激发，
1 其主量子数 n2 可以任意。当 n2=2 时，由原子物理可知， l2 0,1； s2 2 ，
4． He 原子的能级 He 原子由带+2e 电荷的原子核和两个核外电子组成。处于基态时，电子组
态为1s2 。这时 n1 n2 1 ,
l1 l2 0 ,
s1
1 2
,
s2
1 2
.
He 原子的两个电子是按 L—S 耦合的，可以算出
L l1 l2 0 , S s1 s2 0 , J LS 0.
3.2 氩离子激光器
全反射镜
起 偏
Q
调检 偏
器 晶器
体
YAG 棒和 Xe 灯 半反射镜
Ar+激光器是离子气体激光器中应用最广泛的，它具有良好的单色性、稳定 性和高功率。Ar+激光器一般充纯 Ar 约 0.2 乇，弧光放电电流约数十安培。
3.3 工作原理
Ar+的能级图如下，存在三种可能的激发 过程。
3.4 染料激光器