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固体发光材料

固体物理专题

---发光材料

一、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。

􀂾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”。

•  非平衡辐射有许多种，除了发光以外，还有反射，散射等。

光辐射的特征一般可用五个宏观光学参量描述：

亮度、光谱、相干性、偏振度和辐射期间。

•  亮度：

亮度高低不能区分各种类型的非平衡辐射；

•  光谱改变及相干性：

不仅在发光中存在，在联合散射和康普顿-吴有训效应中也有。

而且，作为在特定条件下的发光，如激光及超辐射（特殊条件下的自发发射），具有相干性。

•  偏振度：

在发光现象中并没有带普遍性的特点。

•  辐射期间：

发光有一个比较长的延续时间，这个延续时间有长有短，总之都比反射、散射的10-14秒持续时间长。

指去掉激发后，辐射还可延续的时间。

3、固体发光的两个基本特征

（１）任何物体在一定温度下都具有平衡热辐射，而发光是指吸收外来能量后，发出的总辐射中超出平衡热辐射的部分。

（２）当外界激发源对材料的作用停止后，发光还会持续一段时间，称为余辉。

这是固体发光与其他光发射现象的根本区别。

二、材料的发光机理

——分立中心发光

    发光材料的发光中心受激发时并未离化，发光过程全部局限在中心内部。

被激发的发光中心内的电子虽然获得了跃迁至激发态的能量，但并未离开中心，迟早会释放出激发能，回到基态而发出光来。

这种发光是单分子过程，并不伴随有光电导，故又称为“非光电导型”发光。

自发发光：

受激发的粒子（如电子），受粒子内部电场作用从激发态A而回到基态G时的发光。

受迫发光：

受激发的电子只有在外界因素的影响下才发光（亚稳态发光）。

——复合发光

    发光材料受激发时分离出一对带异号电荷的粒子，一般为空穴和电子，这两种粒子复合时便发光，称为复合发光。

由于离化的带电粒子在发光材料中漂移或扩散，从而构成特征性光电导，故又称为“光电导型”发光。

三、材料的发光特征

1、颜色特征

        不同的发光材料有着不同的发光颜色。

2、发光强度特征

        发光强度代表发射光的能量，是一个客观数值；发光的亮度是人眼的感觉，是主观判断的结果，其中包含了眼睛对不同颜色视觉的差别。

       发光效率用来表征材料的发光本领。

           量子效率：

发光的量子数与激发源输入的量子数的比值。

           能量效率（功率效率）：

发光的能量与激发源输入的能量的比值。

           流明效率（光度效率）：

发光的流明数与激发源输入的能量的比值（lm/W）。

发光材料——把某种形式的激发能量转化为发光能。

因此对于一个有效的发光材料应具备如下要求：

⑴.能够有效地吸收激发能量；

⑵.能够把吸收的激发能量有效地传递给发光中心；

⑶.发光中心具有高的辐射跃迁效率。

3、发光持续时间特征

规定当激发停止时，其发光亮度L衰减到初始亮度L0的10%时所经历的时间为余辉时间，简称余辉。

人眼能够感觉到余辉的长发光期间者为磷光；

人眼感觉不到余辉的短发光期间者为荧光。

荧光与磷光无严格区别。

但在有机物发光中，分子从单态跃迁到基态的发光叫荧光。

从三重态跃迁到基态的发光叫磷光。

极短余辉：

余辉时间<1μs的发光；

短余辉：

    余辉时间1~10μs的发光；

中短余辉：

余辉时间10-2～1ms的发光；

中余辉：

    余辉时间1～100ms的发光；

长余辉：

    余辉时间10-1～1s的发光；

极长余辉：

余辉时间>1s的发光

4、相关名词解释

——光通量

 光通量是指光源在单位时间内向周围空间辐射的能引起视觉反应能量，即可见光的能量。

它描述的是光源的有效辐射值，其国际单位是1m（流明）。

同样功率的灯具的光通量可能完全不同，这是因为它们的光效不同的缘故。

比如：

普通照明灯泡只有101m/W，而金属卤素灯可以达到801m/W。

照度是指发光体照射在被照物体单位面积上的光通量，其国际单位是lx（勒 [克斯]）。

照度的定义和测量比较复杂，象平均柱面照度、等效球照度、标量照度等，它们的测量条件和计算方法有所不同。

在建筑和装饰工程中经常会遇到、灯光系统中偶尔也涉及到照度概念。

亮度是指发光体在单位面积内发光强度。

单位是：

cd/cm2。

坎 [德拉]（cd）为发光强度的国际单位。

与照度定义几乎相同，如果我们把每一物体都视为光源的话，那么亮度就是描述光源光亮的程度，而照度正好是把每一物体都作为被照物体，用一块木板来举例说明，当一定光束照到木板时我们讲木板有多少照度，然后木板将多少光束反射到人眼，就称为木板的多少亮度，那么有如下式子：

亮度等于照度乘以反射率。

在同一房间同一位置一块白布和一块黑布的照度是相同的，而亮度是不同的。

——色温

色温是指光源发射的颜色与黑体在某一温度下辐射的光色相同时，黑体的温度称为该光源的色温，一般以开氏K为单位。

比如3200K和5600K等。

色温高，光线的颜色偏冷：

色温低，光线的颜色偏暖：

色温适中时，光线接近于白色。

自然界正常日照下，光线的色温一般都要高于人工灯具的色温。

通常情况下，阳光的色温为5600K左右，而演播室及演出用灯具的色温都在3200K左右。

（热光源）

近年来电视演播室兴起的冷光源布光，是对传统光源的变革。

冷光源的色温高，耗能低，发热小，在进行室内外摄相时，色温转换简单，画面自然，当然冷光源对调光台的性能要求也要高些。

二、发光材料     

发光材料的要求

——发光材料是能把某种形式的激发能量转化为发光能。

因此对于一个有效的发光材料应具备如下要求：

a.能够有效地吸收激发能量；

b.能够把吸收的激发能量有效地传递给发光中心；

c.发光中心具有高的辐射跃迁效率。

1、发光材料的主要分类

发光材料的发光方式是多种多样的，主要类型有：

光致发光、阴极射线发光、电致发光、热释发光、光释发光、辐射发光等。

1、1光致发光

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

上转换发光都发生在掺杂稀土离子的化合物中，主要有氟化物、氧化物、含硫化合物、氟氧化物、卤化物等。

其原理有激发态吸收（ESA）、能量传递上转换（ETU）和光子雪崩（PA）三种。

目前的主要应用为红外光激发发出可见光的红外探测，生物标识，和长余辉发光的警示标识，防火通道指示牌或者室内墙壁涂装充当夜灯的作用等。

1、2电致发光

    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：

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。

1、3阴极射线发光

􀂾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。

1、4射线及高能粒子发光

    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。

2、发光材料的形态

   发光材料的形态有晶体、非晶、纳米晶、薄膜。

 2、1晶体

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。

2、2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。

2、3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。

2、4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。

——发光材料的构成主要有以下三种形式：

a.由多晶或单晶形态的基质材料和激活剂（发光中心）组成，也可能加入起到能量传递作用的敏化剂；

b.只有基质材料，利用某种本征缺陷做为发光中心；

c.只有基质材料，利用本征激子态或带边电子态产生发光。

3、发光材料主要由基质和激活剂组成，此外还添加一些助溶剂、共激活剂和敏化剂。

1）基质是发光材料的主要组分，约占重量的90％以上。

单一或混合的化合物都可作基质。

某种绝缘体或半导体材料，形成基本的能带结构。

对于激发能量的吸收起到主要作用。

混合基质常使用具有同一晶型的物质，如 ZnS·CaS、CaS·SrS等。

2）激活剂对基质起激活作用，并形成发光中心，掺杂进入基质的某种离子或基团，通常是高效的发光中心，例如稀土离子，过渡族金属离子等。

激活剂可以在基质形成的能带结构的禁带中形成孤立的能级系统，通过这些能级产生发光所需的基态和激发态。

其重量约占基质 1／1000～1／10000，甚至1／100000。

周期表中大多数元素都可做激活剂，常用的有 Cu、Mn、Au等。

3）助溶剂的作用是，在制备发光材料时，使激活剂容易扩散到基质晶格中而形成发光中心，同时还起保护气氛作用，其掺入量约占配料的2％～5％。

常用的助溶剂主要为各种盐类，如LiCl、KCl、CaF2等。

4）共激活剂用于与激活剂协同激活基质，用量与激活剂相当。

5）敏化剂用于增强材料发光，并能把吸收的能量传递到激活剂，从而提高发光效率。

三、发光材料的应用

照明光源：

荧光灯中的荧光粉、LED照明

显示与显像：

电视机（阴极射线管，等离子体平板电视）、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。

 核医学成像：

计算机CT、SPECT、PET成像。

发光材料用于探测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，例如荧光量子点。

四 1发光和猝灭

并不是激发能量全部都要经过传输，能量传输也不会无限的延续下去。

激发的离子处于高能态，它们就不是稳定的，随时有可能回到基态。

在回到基态的过程中，如