发光材料课件-1
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我们可以按照激发方式的不同对发光进行分类: 光致发光 (Photoluminescence) 电致发光 (Electroluminescence) 阴极射线发光 (Cathodeluminescence) 射线及高能粒子发光 (Radioluminescence) 化学发光 (Chemical luminescence) 生物发光 (Bioluminescence) 声致发光 (Sonoluminescence) 摩擦发光 (Triboluminescence)
掺Tb3+发光玻璃 用于闪烁探测 同济大学物理系研制
非晶材料由于缺陷较多往往发光强度受到一定限制,但有 些材料非晶态的制备比生长单晶容易和廉价,也被用作发 光材料,例如玻璃闪烁体。
纳米晶
颗粒尺度小于100nm的晶粒组成的发光材料。 与多晶材料(尺度微米量级)相比,其可以尺 度更小。 颗粒尺度的减小,具有更大的比表面积,表现 出较为明显的量子限制效应,对于提高发光强 度,调节发光波长具有特殊作用。 纳米晶可以单独存在,也可以掺入玻璃材料 中,形成纳米晶玻璃。
发光的定义 发光的分类 发光的应用
发光与发光材料的定义
什么是发光: 1、当某种物质受到激发(射线、高能粒子、电子束、 外电场等)后,物质将处于激发态,激发态的能量会 通过光或热的形式释放出来。如果这部分的能量是位 于可见、紫外或是近红外的电磁辐射,此过程称之为 发光过程。 2、发光就是物质在热辐射之外以光的形式发射出多 余的能量,这种发射过程具有一定的持续时间。 什么是发光材料:能够实现上述过程的物质叫做发光 材料。
1、注入式电致发光:半导体p-n结在 较低正向电压之下注入少数载流 子,然后少数载流子与多数载流子 在结区附近相遇复合而发光或者通 过局域中心而发光。 例如:发光二极管(LED),半导 体激光器(LD),有机薄膜电致发 光,都是注入式发光。 2、高场电致发光:两块平板你电极 之间放入发光材料,在直流或是交 流强电场的作用下,多数载流子被 加速碰撞激发发光中心,随后导致 复合发光。
定义:由化学反应过程中释放出来的能量激发发 光物质产生的发光,称作化学发光。 用途举例:用于免疫测定技术,将具有高灵敏度 的化学发光测定技术与高特异性的免疫反应相结 合,用于各种抗原、半抗原、抗体、激素、酶、 脂肪酸、维生素和药物等的检测分析技术。
生物发光(Bioluminescence)
定义:生物体内,由于生命过 程的变化产生的发光现象,是 一种特殊类型的化学发光,化 学能转变为光能的效率几乎为 100%。 发光机理:由细胞合成的化学 物质,在一种特殊酶的作用 下,使化学能转化为光能。 典型例子:萤火虫 、细菌发 光 、节足动物及鱼类的生物 发光等。
发光背景知识
发光材料的形态 光学跃迁的理论模型 固体能带基本理论 固体中的光学跃迁 固体发光材料基本知识 发光的表征
发光材料的形态
晶体 非晶 纳米晶 薄膜
晶体
理想理想晶体是由许多质点(包括 原子、离子、分子或原子群等)在 三维空间作有规则排列而成的固体 物质。晶体的外形具有一定的对称 性,反映了晶体粒子在内部的规则 排列。 晶体包括单晶和多晶 单晶:整个晶格是连续的。 多晶:由大量小单晶颗粒组成的 集体。每个小晶粒的尺寸为微米 量级,呈现出粉末状态,如荧光 粉。
主要授课内容
发光的基本概念与原理 发光中的基本物理过程 典型发光材料介绍
Hale Waihona Puke Baidu
考核方式
60% 平时成绩 20% 期中考核 20% 读书报告
第一章 绪论
白炽灯泡 太阳 日光灯 节能灯
阴极射线管电视机
液晶平板电视机
LED(Light-Emitting Diode)
光发射二极管 LED大屏幕显示
绪论提纲
电偶极 磁偶极和电四极
按照电动力学电磁辐射理论,电偶极跃迁的强度要远 远大于磁偶极、电四极。。。。。。 通常我们只需要考虑电偶极辐射。 某些电偶极跃迁属于禁戒的情况下,需要考虑磁偶极 和电四极跃迁。
电偶极发射的经典描述
线性偶极振荡 电偶极动量: 电偶极发射强度是方向依赖的 M = ez = M 0 exp(iω0t )
声波导致气泡的产生
缓慢膨胀
急速压缩
发光
摩擦发光(Triboluminescence)
定义:摩擦发光是指某些固 体受机械研磨、振动或应力 时的发光现象。 举例:例如蔗糖、酒石酸等 晶体受挤压时发出闪光。
撕胶带时产生的X射线
发光材料的应用
照明光源:荧光灯中的荧光粉、LED照明 照明光源: 显示与显像:电视机(阴极射线管,等离子体平板电 显示与显像: 视)、LED大屏幕显示、交通指示。 高能物理辐射探测:高能物理与核物理实验。 高能物理辐射探测: 核医学成像:计算机CT、SPECT、PET成像。发光 核医学成像: 材料用于探测X射线或γ射线。 示踪剂和标记物:生物医学领域,认识生命过程,例 示踪剂和标记物: 如荧光量子点。 。。。。。。
热辐射谱
发光与反射、散射和契伦科夫辐射
发光: 具有一定的持续时间(持续时间:激发停止以 后,光发射所经历的时间,主要决定于激发态的寿 命),通常大于10-11秒。也有更慢的,这取决于跃迁 的性质。 反射、散射和契伦科夫辐射: 几乎无惯性,持续时间 非常短,约为10-14秒。
注:契伦科夫辐射:介质中运动的带电粒子(通常是电子)速度 超过该介质中光速时发出的一种以短波长为主的电磁辐射 。这 种辐射是1934年由前苏联物理学家契伦科夫发现的,因此以他 的名字命名。
声致发光(Sonoluminescence)
定义:当声波穿过液体的时候,如果声音足够强,而且频率也合 适,那么会产生一种“声空化”现象:在液体中会产生细小的气泡。 气泡随即坍塌到一个非常小的体积,内部的温度超过10万摄氏 度,在这一过程中会发出瞬间的闪光。这种现象被称为“声致发 光”。 特点:如果产生的气泡越大,那么它坍塌后的温度就越高,甚至 可能高达1000万度。这个温度足以引发核聚变反应。
薄膜
在合适的衬底上镀上发光材料,可以制备出发 光薄膜。这层发光材料的形态可以是单晶、多 晶甚至是非晶。 某些应用场合需要采取薄膜的形态。
光吸收与光发射的电偶极近似理论
电磁辐射矢量A表示为:
μ 0 eikR A( x) = ∫ J ( x' )(1 − ik n ⋅ x' + ...)dV ' 4πR
射线及高能粒子发光(Radioluminescence)
定义:X射线、γ射线、α粒子、β粒子、质子或中 子等激发下,物质产生的发光叫做射线及高能粒子发 光。 发光过程:粒子的减速、高能光子的吸收、电子-空 穴对的产生、能量传递到发光中心、光发射。 应用领域:射线探测、核医学成像等。
化学发光(Chemical luminescence)
发光的基本过程
激 发 Excitation 发 射 Emission
A* 激 发 态
激 发 发 光 无 辐 射 跃 迁
A
热 Heat
A 基态
A表示发光中心
激发:外部能量使发光材料中的发光中心进入激发态。 发射:处于激发态的发光中心通过光发射的方式回到基态, 属于辐射跃迁。 产热:通过产热的方式回到基态,属于无辐射跃迁。
发光与热辐射
热辐射:任何绝对零度以上的 物质都会发射热辐射,大多数 位于红外区。一般600℃以上 会有部分可见光成分。热辐射 是一种平衡辐射,基本上只与 物体温度有关,而与物质种类 无关。(例如:太阳光,白炽 灯泡,烧热的炉膛。) 发光:是一种非平衡辐射(偏 离原先的热平衡态),是物体 吸收外来能量后所发出的总辐 射中超出热辐射的部分。发光 材料不需要加热,是一种“冷 光”。
自发辐射与激发能量密度无关 受激辐射与激发能量密度相关
3 hωmn = 2 3 Bm→n π c
吸收几率可以表示为: Wmn = Bn→m ρ (ωmn )
LED发光原理
阴极射线发光(Cathodeluminescence)
定义:发光物质在电子 束激发下产生的发光。 发光过程:电子束的电 子能量通常在几千至几 万电子伏特,入射到发 光材料中产生大量次级 电子,离化和激发发光 中心产生发光。 用途:主要用于雷达、 电视、示波器和飞点扫 描等方面。其主要部件 是阴极射线管。
Cutaway rendering of a color CRT: 1. Three Electron guns (for red, green, and blue phosphor dots) 2. Electron beams 3. Focusing coils 4. Deflection coils 5. Anode connection 6. Mask for separating beams for red, green, and blue part of displayed image 7. Phosphor layer with red, green, and blue zones 8. Close-up of the phosphor-coated inner side of the screen
ω0是特征角频率
总能:动能+势能
2 (meω0 / 2e 2 ) M 02
me是电子质量
4 2 每秒向外辐射电磁辐射能量: (ω0 / 12πε 0 c 3 ) M 0
电子跃迁发射的量子力学描述
(a)吸收过程;(b)自发辐射过程;(c)受激辐射过程
m与n态之间光吸收与光发射跃迁的能量关系:
hωmn = Em − En , ( Em > En )
发射几率 =自发辐射几率 + 受激辐射几率 在能态m和n之间的吸收和发射平衡关系为: N n Bn→m ρ (ωmn ) = N m { Am→n + Bm→n (ωmn ) ρ (ωmn )} 其中 : N m和N n分别是占据m和n态的原子数。
ρ (ω )激发能量密度
Bn→m吸收吸收 Am→n自发辐射系数 Bm→n受激辐射系数 Bn→m = Bm→n ; Am→n
发光材料
主讲:刘波 同济大学 物理系
“发光材料”
课程须知
学时:周学时 3,共51学时 前期背景课程 “普通物理”、“固体物理”、“量子力学”等 参考书目 1.《固体发光材料》孙家跃 杜海燕 编 化学工业出版社,2003 2.《固体发光》中国科学院与中国科技大学合编,1976 3.《发光学与发光材料》徐叙瑢 苏勉曾 主编 化学工业出版社,2004 4.《Luminescence Materials》G.Blasse, B.C.Grabmaier, Springer-Verlag,1994 5. 《Phosphor Handbook》Shigeo Shionoya, William M.Yen, CRC Press. 1998. 6.《Luminescence of Solids》D.R.Vij, Plenum Press, 1998
激 发 Excitation
发 射 Emission
S*
能量传递
A1* A2*
发 光
激 发
S
能量传递
A
S
A
A表示发光中心 S表示敏化中心
与前一种情况相比,这里增加了能量传递过程。 敏化中心S吸收能量进入激发态,并传递能量给发光中心A。 能量传递过程在发光材料中是非常普遍并且重要的过程。
发光的分类
晶体空间点阵示意图
晶体材料具有高的发光效率,是发光材料的主要形态。
Bi4Ge3O12 (BGO) 单晶 医学成像用闪烁体 用于探测X射线
γ-CuI单晶闪烁体 用于超快X射线探测 同济大学物理系研制
非晶
非晶:组成物质的原子或离子排列不 具有周期性,如玻璃,有时称作无定 形材料。 非晶中质点的分布类似液体,所以非 晶质体也可被认为是过冷液体,因此 严格说来只有晶体才是固体。 晶体与非晶的不同点在于晶体的内部 质点排列是有规律的,长程有序,具 有固定熔点,而非晶内部质点排列是 无规律,长程无序但一般短程有序, 没有固定熔点。
光致发光(Photoluminescence)
定义:用光激发产生的发光叫做光致发光。 光源波长:紫外-可见-红外 例如:荧光灯——紫外线做为激发光源。 上转换材料——红外光做为激发光源。
电致发光(Electroluminescence)
定义:用电场或电流激发产生的 发光,以前也叫场致发光。电致 发光分为两种类型:
掺Tb3+发光玻璃 用于闪烁探测 同济大学物理系研制
非晶材料由于缺陷较多往往发光强度受到一定限制,但有 些材料非晶态的制备比生长单晶容易和廉价,也被用作发 光材料,例如玻璃闪烁体。
纳米晶
颗粒尺度小于100nm的晶粒组成的发光材料。 与多晶材料(尺度微米量级)相比,其可以尺 度更小。 颗粒尺度的减小,具有更大的比表面积,表现 出较为明显的量子限制效应,对于提高发光强 度,调节发光波长具有特殊作用。 纳米晶可以单独存在,也可以掺入玻璃材料 中,形成纳米晶玻璃。
发光的定义 发光的分类 发光的应用
发光与发光材料的定义
什么是发光: 1、当某种物质受到激发(射线、高能粒子、电子束、 外电场等)后,物质将处于激发态,激发态的能量会 通过光或热的形式释放出来。如果这部分的能量是位 于可见、紫外或是近红外的电磁辐射,此过程称之为 发光过程。 2、发光就是物质在热辐射之外以光的形式发射出多 余的能量,这种发射过程具有一定的持续时间。 什么是发光材料:能够实现上述过程的物质叫做发光 材料。
1、注入式电致发光:半导体p-n结在 较低正向电压之下注入少数载流 子,然后少数载流子与多数载流子 在结区附近相遇复合而发光或者通 过局域中心而发光。 例如:发光二极管(LED),半导 体激光器(LD),有机薄膜电致发 光,都是注入式发光。 2、高场电致发光:两块平板你电极 之间放入发光材料,在直流或是交 流强电场的作用下,多数载流子被 加速碰撞激发发光中心,随后导致 复合发光。
定义:由化学反应过程中释放出来的能量激发发 光物质产生的发光,称作化学发光。 用途举例:用于免疫测定技术,将具有高灵敏度 的化学发光测定技术与高特异性的免疫反应相结 合,用于各种抗原、半抗原、抗体、激素、酶、 脂肪酸、维生素和药物等的检测分析技术。
生物发光(Bioluminescence)
定义:生物体内,由于生命过 程的变化产生的发光现象,是 一种特殊类型的化学发光,化 学能转变为光能的效率几乎为 100%。 发光机理:由细胞合成的化学 物质,在一种特殊酶的作用 下,使化学能转化为光能。 典型例子:萤火虫 、细菌发 光 、节足动物及鱼类的生物 发光等。
发光背景知识
发光材料的形态 光学跃迁的理论模型 固体能带基本理论 固体中的光学跃迁 固体发光材料基本知识 发光的表征
发光材料的形态
晶体 非晶 纳米晶 薄膜
晶体
理想理想晶体是由许多质点(包括 原子、离子、分子或原子群等)在 三维空间作有规则排列而成的固体 物质。晶体的外形具有一定的对称 性,反映了晶体粒子在内部的规则 排列。 晶体包括单晶和多晶 单晶:整个晶格是连续的。 多晶:由大量小单晶颗粒组成的 集体。每个小晶粒的尺寸为微米 量级,呈现出粉末状态,如荧光 粉。
主要授课内容
发光的基本概念与原理 发光中的基本物理过程 典型发光材料介绍
Hale Waihona Puke Baidu
考核方式
60% 平时成绩 20% 期中考核 20% 读书报告
第一章 绪论
白炽灯泡 太阳 日光灯 节能灯
阴极射线管电视机
液晶平板电视机
LED(Light-Emitting Diode)
光发射二极管 LED大屏幕显示
绪论提纲
电偶极 磁偶极和电四极
按照电动力学电磁辐射理论,电偶极跃迁的强度要远 远大于磁偶极、电四极。。。。。。 通常我们只需要考虑电偶极辐射。 某些电偶极跃迁属于禁戒的情况下,需要考虑磁偶极 和电四极跃迁。
电偶极发射的经典描述
线性偶极振荡 电偶极动量: 电偶极发射强度是方向依赖的 M = ez = M 0 exp(iω0t )
声波导致气泡的产生
缓慢膨胀
急速压缩
发光
摩擦发光(Triboluminescence)
定义:摩擦发光是指某些固 体受机械研磨、振动或应力 时的发光现象。 举例:例如蔗糖、酒石酸等 晶体受挤压时发出闪光。
撕胶带时产生的X射线
发光材料的应用
照明光源:荧光灯中的荧光粉、LED照明 照明光源: 显示与显像:电视机(阴极射线管,等离子体平板电 显示与显像: 视)、LED大屏幕显示、交通指示。 高能物理辐射探测:高能物理与核物理实验。 高能物理辐射探测: 核医学成像:计算机CT、SPECT、PET成像。发光 核医学成像: 材料用于探测X射线或γ射线。 示踪剂和标记物:生物医学领域,认识生命过程,例 示踪剂和标记物: 如荧光量子点。 。。。。。。
热辐射谱
发光与反射、散射和契伦科夫辐射
发光: 具有一定的持续时间(持续时间:激发停止以 后,光发射所经历的时间,主要决定于激发态的寿 命),通常大于10-11秒。也有更慢的,这取决于跃迁 的性质。 反射、散射和契伦科夫辐射: 几乎无惯性,持续时间 非常短,约为10-14秒。
注:契伦科夫辐射:介质中运动的带电粒子(通常是电子)速度 超过该介质中光速时发出的一种以短波长为主的电磁辐射 。这 种辐射是1934年由前苏联物理学家契伦科夫发现的,因此以他 的名字命名。
声致发光(Sonoluminescence)
定义:当声波穿过液体的时候,如果声音足够强,而且频率也合 适,那么会产生一种“声空化”现象:在液体中会产生细小的气泡。 气泡随即坍塌到一个非常小的体积,内部的温度超过10万摄氏 度,在这一过程中会发出瞬间的闪光。这种现象被称为“声致发 光”。 特点:如果产生的气泡越大,那么它坍塌后的温度就越高,甚至 可能高达1000万度。这个温度足以引发核聚变反应。
薄膜
在合适的衬底上镀上发光材料,可以制备出发 光薄膜。这层发光材料的形态可以是单晶、多 晶甚至是非晶。 某些应用场合需要采取薄膜的形态。
光吸收与光发射的电偶极近似理论
电磁辐射矢量A表示为:
μ 0 eikR A( x) = ∫ J ( x' )(1 − ik n ⋅ x' + ...)dV ' 4πR
射线及高能粒子发光(Radioluminescence)
定义:X射线、γ射线、α粒子、β粒子、质子或中 子等激发下,物质产生的发光叫做射线及高能粒子发 光。 发光过程:粒子的减速、高能光子的吸收、电子-空 穴对的产生、能量传递到发光中心、光发射。 应用领域:射线探测、核医学成像等。
化学发光(Chemical luminescence)
发光的基本过程
激 发 Excitation 发 射 Emission
A* 激 发 态
激 发 发 光 无 辐 射 跃 迁
A
热 Heat
A 基态
A表示发光中心
激发:外部能量使发光材料中的发光中心进入激发态。 发射:处于激发态的发光中心通过光发射的方式回到基态, 属于辐射跃迁。 产热:通过产热的方式回到基态,属于无辐射跃迁。
发光与热辐射
热辐射:任何绝对零度以上的 物质都会发射热辐射,大多数 位于红外区。一般600℃以上 会有部分可见光成分。热辐射 是一种平衡辐射,基本上只与 物体温度有关,而与物质种类 无关。(例如:太阳光,白炽 灯泡,烧热的炉膛。) 发光:是一种非平衡辐射(偏 离原先的热平衡态),是物体 吸收外来能量后所发出的总辐 射中超出热辐射的部分。发光 材料不需要加热,是一种“冷 光”。
自发辐射与激发能量密度无关 受激辐射与激发能量密度相关
3 hωmn = 2 3 Bm→n π c
吸收几率可以表示为: Wmn = Bn→m ρ (ωmn )
LED发光原理
阴极射线发光(Cathodeluminescence)
定义:发光物质在电子 束激发下产生的发光。 发光过程:电子束的电 子能量通常在几千至几 万电子伏特,入射到发 光材料中产生大量次级 电子,离化和激发发光 中心产生发光。 用途:主要用于雷达、 电视、示波器和飞点扫 描等方面。其主要部件 是阴极射线管。
Cutaway rendering of a color CRT: 1. Three Electron guns (for red, green, and blue phosphor dots) 2. Electron beams 3. Focusing coils 4. Deflection coils 5. Anode connection 6. Mask for separating beams for red, green, and blue part of displayed image 7. Phosphor layer with red, green, and blue zones 8. Close-up of the phosphor-coated inner side of the screen
ω0是特征角频率
总能:动能+势能
2 (meω0 / 2e 2 ) M 02
me是电子质量
4 2 每秒向外辐射电磁辐射能量: (ω0 / 12πε 0 c 3 ) M 0
电子跃迁发射的量子力学描述
(a)吸收过程;(b)自发辐射过程;(c)受激辐射过程
m与n态之间光吸收与光发射跃迁的能量关系:
hωmn = Em − En , ( Em > En )
发射几率 =自发辐射几率 + 受激辐射几率 在能态m和n之间的吸收和发射平衡关系为: N n Bn→m ρ (ωmn ) = N m { Am→n + Bm→n (ωmn ) ρ (ωmn )} 其中 : N m和N n分别是占据m和n态的原子数。
ρ (ω )激发能量密度
Bn→m吸收吸收 Am→n自发辐射系数 Bm→n受激辐射系数 Bn→m = Bm→n ; Am→n
发光材料
主讲:刘波 同济大学 物理系
“发光材料”
课程须知
学时:周学时 3,共51学时 前期背景课程 “普通物理”、“固体物理”、“量子力学”等 参考书目 1.《固体发光材料》孙家跃 杜海燕 编 化学工业出版社,2003 2.《固体发光》中国科学院与中国科技大学合编,1976 3.《发光学与发光材料》徐叙瑢 苏勉曾 主编 化学工业出版社,2004 4.《Luminescence Materials》G.Blasse, B.C.Grabmaier, Springer-Verlag,1994 5. 《Phosphor Handbook》Shigeo Shionoya, William M.Yen, CRC Press. 1998. 6.《Luminescence of Solids》D.R.Vij, Plenum Press, 1998
激 发 Excitation
发 射 Emission
S*
能量传递
A1* A2*
发 光
激 发
S
能量传递
A
S
A
A表示发光中心 S表示敏化中心
与前一种情况相比,这里增加了能量传递过程。 敏化中心S吸收能量进入激发态,并传递能量给发光中心A。 能量传递过程在发光材料中是非常普遍并且重要的过程。
发光的分类
晶体空间点阵示意图
晶体材料具有高的发光效率,是发光材料的主要形态。
Bi4Ge3O12 (BGO) 单晶 医学成像用闪烁体 用于探测X射线
γ-CuI单晶闪烁体 用于超快X射线探测 同济大学物理系研制
非晶
非晶:组成物质的原子或离子排列不 具有周期性,如玻璃,有时称作无定 形材料。 非晶中质点的分布类似液体,所以非 晶质体也可被认为是过冷液体,因此 严格说来只有晶体才是固体。 晶体与非晶的不同点在于晶体的内部 质点排列是有规律的,长程有序,具 有固定熔点,而非晶内部质点排列是 无规律,长程无序但一般短程有序, 没有固定熔点。
光致发光(Photoluminescence)
定义:用光激发产生的发光叫做光致发光。 光源波长:紫外-可见-红外 例如:荧光灯——紫外线做为激发光源。 上转换材料——红外光做为激发光源。
电致发光(Electroluminescence)
定义:用电场或电流激发产生的 发光,以前也叫场致发光。电致 发光分为两种类型: