整理固体发光材料思考题.docx

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整理固体发光材料思考题

固体发光材料思考题

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固体发光材料思考题

第1章

1、发光的定义？

与热辐射的区别？

与光的传播（散射、折射等）的区别。

答:

（1）物体内部以某种方式吸收的能量转化为热辐射之外的以光的形式所发出的多余的能量，而且这种能量的发射过程具有一定的时间.

（2）发光属于非平衡辐射，而热辐射属于平衡辐射。

（3）发光是由电子跃迁引起的，是一种化学现象；而光的传播是一种物理现象，本质是光的传播方向发生改变。

2、光辐射（发光）的时间在什么量级?

磷光、荧光的区别在哪里？

答：

（1）纳秒~小时；

（2）①磷光寿命要比荧光寿命长得多；②处于磷光态的物质是顺磁性的;③荧光是由激发单重态最低振动能层至基态各振动能层间跃迁产生的；而磷光是由激发三重态的最低振动能层至基态各振动能层间跃迁产生的。

3、写出电磁辐射能量与光波长的关系式。

答：

Eg=1240/λ

4、简单描述4个以上发光类型，并用英文表示.

答：

（1）电致发光（electroluminescence）：

将电能转换为光能的现象；

（2）光致发光（photoluminescence）：

用光激发发光体引起的发光现象;

（3）阴极射线发光（cathodoluminescence）:

发光物质在电子束作用下产生的发光；

（4）放射线发光（radioluminescence）：

在X射线，γ射线,α粒子和β粒子等高能光子或者粒子激发下,发光物质所产生的发光。

（5）生物发光（bioluminescence）:

生物体内所产生的生化反应释放的能量激发发光物质产生的发光.

5、简单描述光电效应的实验过程,并给出爱因斯坦的量子解释.

答:

所谓光电效应的实验是当光线照射金属板所产生的电子发射的现象，对于每一种金属来讲，入射光的波长都有某个极限值，一旦波长超过这个值，不管光线多么强,电子也会消失。

爱因斯坦指出：

光是一束能量子流,同一波长的所有量子是完全一样的，就是说它们携带相同的一份能量，称这样的光量子为光子。

携带这份能量的光子足够使电子离开金属时,产生了电子流,当光子能量不足以克服金属对电子的束缚，电子就不会离开，也就不会产生电流，由普朗克公式可知，量子的能量由频率决定，因此可以说光子的波长太长，光子就不会有足够能量将电子从金属中释放出来。

爱因斯坦还给出光线的强弱关系：

不管是一个或者以上光子，照射金属，只要光子的能量足够，就会有电子产生，光线越亮,每秒进入金属的光子就越多，产生的电子数目就越大，因此产生的电流就越大。

6、波尔理论的三个基本假设,并给出解释。

答：

（1）原子系统只能存在于一系列不连续的能量状态中（E1、E2、E3...），在这些状态中，电子绕核做加速运动而不辐射能量这种状态称为原子系统的稳定状态（定态）。

（2）当原子从一个定态跃迁到另一个定态时，就要吸收或放出一个光子，光子能量为hv.

（3）原子中电子绕核作圆周运动的轨道角动量L是普朗克常量的整数倍。

解释：

假设

（1）是经验性的，它解决了原子的稳定性问题；假设

（2）是从普朗克量子假设引申来的,因此是合理的，它能解释线光谱的起源；假设（3）表述的角动量量子化原先是人为加进去的，后来知道它可以从德布罗意假设得出.

7、请描述发光过程的基本过程（两种形式）.

答：

略

8、部分专业名称的意义和英文专业用语：

发光、波长、光谱、能级、荧光、磷光、发光寿命、基态、激发态、发光中心、敏化中心（教材中找答案）

答：

敏化中心:

固体发光中两个不同的发光中心通过相互作用，将一个中心吸收的能量传递到了另一个中心，以致后一中心的发光得到加强的现象.

发光中心：

发光体中被激发的电子跃迁回基态发射出光子的特定中心.

第2章

1、描述电子状态的四个量子数，意义，表达符号。

答：

（1）主量子数n=1,2,3……，主要决定电子能量的因子；

（2）轨道角动量量子数l=0，1,2，3……（n=1）,决定电子的轨道角动量大小,对能量也有稍许影响；

（3）轨道磁量子数ml=0，±1，±2,……,±l，决定电子轨道角动量空间取向；

（4）自旋磁量子数ms=±1/2，决定电子自旋角动量空间取向。

拓展：

原子中能够有下列量子数相同的最大电子数是多少？

①n，l,m相同的最大电子数是2；

②n，l相同的最大电子数是2（2l+1）（ml可取2l+1，考虑到自旋）；

③具有相同量子数n的电子最多有

。

2、原子态（原子能级）的光谱项的通用表达方式和其中的意义。

答：

n2S+1LJ，S表示总自旋角动量量子数,L表示外层价电子角量子数l的矢量和，J为各个价电子组合得到的总角量子数与总自旋S的矢量和。

3、同第1章题5

4、三种类型能带结构的特点.

答:

（1）简约区图示:

每个k值均有相应的E1（k）、E2（k）、E3（k）.。

。

...即每个能带都在第一布里渊区中表示出来，简约区中能够给出能带结构全貌。

（2）扩展区图示:

按能量由低到高的顺序，分别将能带k限制在第一布里渊区、第二布里渊区，...等等，一个布里渊区表示一个能带。

（3）重复区图示：

每个布里渊区都表示出所有的能带，即每个能带在第一布里渊区中的图形周期性重复在每个布里渊区。

5、波长为1Å的X光光子的动量和能量各为多少？

答：

光速c=300000千米/秒，普朗克常数h=6.626×10—34J·s。

根据德布罗意关系式，得：

动量为:

p=h/λ=6.63×10-34/10-10=6。

63×10-24千克·米/秒

能量为：

E=hν=hc/λ=6。

63×10—34×3×108/10—10=1.986×10-15J

6、半导体的一些名词：

允带、禁带、满带、导带、价带、空带、空穴、施主杂质、施主能级、受主杂质、受主能级、浅能级、深能级、

答:

（1）允带：

允许电子能量存在的能量范围;

（2）禁带:

不允许电子存在的能量范围；（3）满带:

允带中的能级均被电子占据;（4）导带:

电子未占满的允带；（5）价带：

被价电子占据的允带；（6）空带：

不被电子占据的允带；（7）空穴:

在电子脱离价键的束缚成为自由电子后，其价键中所留下的空位叫空穴；或者价带中不被电子占据的空状态；（8）施主杂质：

在硅中掺入V族元素杂质后，这些V族杂质替代了一部分硅原子的位置,但由于它们的外层有5个价电子,其中4个与周围硅原子形成共价键，多余的一个价电子便成了可以导电的自由电子，这样一个V族杂质原子可以向半导体硅提供一个自由电子而本身成为带正电的离子,把这种杂质称为施主杂质;（9）施主能级：

被施主杂质束缚的电子的能量状态叫施主能级;（10）受主杂质：

在硅中掺入III族元素杂质,这些III族杂质原子在晶体中替代了一部分硅原子的位置，由于它们的最外层只有3个价电子,在与硅原子形成共价键时产生一个空穴，这样一个III族杂质原子可以向半导体硅提供一个空穴，而本身接受一个电子成为带负电的离子,把这种杂质称为受主杂质.（11）受主能级:

被受主杂质束缚的空穴的能量状态叫受主能级；（12）浅能级：

能量很靠近导带底的电子束缚态,或能量很接近价带顶的空穴束缚态；（13）深能级：

靠近导带的空穴束缚态，或能量很接近价带顶的电子束缚态。

7、固体中存在的四种基本结合形式.

答：

共价结合、离子结合、金属性结合、范德瓦尔斯结合。

第3章

1、利用位形坐标模型说明发射或吸收光谱为什么有一定宽度？

热淬灭？

答：

因为基态Ro处的振动波函数最大，有着最大的吸收跃迁几率。

基态偏离Ro时也会产生吸收跃迁，但几率降低.这样导致吸收谱具有一定的宽度。

热淬灭:

即温度淬灭，是指在周围环境温度上升条件下，荧光材料的发光强度明显降低的现象。

发生温度淬灭的温度与激活能ΔE的大小有关,当ΔE越大时，温度淬灭现象越不易发生。

2、针对下图中三价Eu离子的吸收光谱，讨论一下各谱段的特点和机制.

答：

（1）f-f跃迁光谱：

指fn组态内不同J能级间跃迁产生的光谱。

特点：

①f—f电偶极跃迁宇称选择规则禁阻；②是类线性光谱；③谱带的范围较广。

（2）f—d跃迁光谱：

组态间的跃迁。

特点：

①谱带宽；②通常比空组态或半充满组态多1或2个电子的离子容易出现此类跃迁。

（3）电荷跃迁光谱：

指配体向金属离子发生电荷跃迁而产生的吸收光谱。

特点：

①谱带宽；②强度大。

3、为什么位形坐标表示的光学吸收跃迁是垂直的?

答：

因为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。

4、请指出三价Eu离子在两种体系中吸收光谱的差异，讨论原因.

答：

略。

5、什么是晶体场?

晶体场对发光中心的影响有几个方面？

答：

（1）晶体场:

发光中心周围离子产生的静电场。

（2）①能级劈裂；②超灵敏受迫。

6、三价镧系稀土离子的能级特点。

答:

（1）能级跃迁复杂；

（2）谱线比一般元素多；（3）激发态寿命长。

7、名词解释：

电荷迁移吸收。

答：

无机化合物会在电磁辐射的照射下,发生电荷转移跃迁，产生电荷转移吸收光谱的现象.

8、简要说明下图中dl电子构型的过渡族金属能级图中表达的内容。

答：

略

第4章

1、举例说明三价稀土Eu离子在晶格中占据的格位对称性对发光有什么影响。

答：

略。

2、简述三价稀土离子发光特点。

答：

（1）镧系稀土离子除了Ce和Lu以外，都具有线谱发射；

（2）具有不满的4f电子受到外界屏蔽,受晶场影响很小，ΔR=0，所以都是锐线谱；

（3）宇称禁戒跃迁，具有较长毫秒量级激发态寿命；

（4）受5s2，5p6电子屏蔽作用，f电子组态晶场劈裂宽度远小于d电子组态晶场劈裂宽度。

3、简述过渡金属离子发光特点。

答：

略.

4、什么是余辉?

借助能级图叙述长余辉材料的发光过程。

答：

（1）余辉是一种停止激发后仍然可以长时间观察到发光的现象。

（2）P120,图4-30,第二段。

5、名词解释：

热释光、光释光、无辐射跃迁。

答：

（1）热释光：

发光体中以某种方式被激发储存了能量，然后加热发光体，使发光体以光的形式把能量再释放出来的发光现象。

（2）光释光：

一种测年方法，是用光来激发样品,此时样品所获得的辐射剂量也会以光的形式释放出来，再对对释放出来的光线加以测量，便可了解地质样品的年龄情况.（3）无辐射跃迁：

通过原子之间的碰撞等形式将激发所得的能量交给周围环境（晶格）.

6、黄昆因子S的物理意义。

答：

晶体中有多种晶格振动模式，但在光学跃迁中起主要作用的是能量最大的声子，因为它们需要更小的S值。

7、请分别根据位形坐标模型和能带模型从能量吸收、传递、辐射等过程说明发光现象；根据下图简单描述可能产生的电子跃迁过程。

答：

见图片.

第6章

1、绝缘体中能量传递和输运的几种方式是什么?

答：

（1）再吸收；

（2）共振传递；（3）借助于载流子的能量输运；（4）激子的能量输运。

2、半导体材料中能量传递的载体是什么（载流子）?

方式有哪些？

答：

（1）自由电子和空穴；

（2）①产生自由电子和空穴;②产生电子-空穴对（激子）。

3、名词解释：

敏化发光、基质敏化、激活中心、敏化剂、浓度猝灭。

答：

浓度猝灭：

当浓度较大时，中心间的距离小于临界距离，它们就会产生级联能量传递,即从一个中心传递到下一个中心，再到下一个中心……直到最后进入一个猝灭中心，导致发光的猝灭,这种猝灭叫做浓度猝灭。

……

4、什么是能量传递？

通过实例简述能量传递现象.

答：

（1）指某一个被激发中心把获得的能量全部或者部分传递给另一个中心,并使其发光的过程。

（2）Dexter提出的无辐射能量传递：

处于激发态的S*既可以通过自身的辐射跃迁回到基态,也可以把能量传递给A，通过A的发射回到基态。

第8、9章

1、举例叙述固相高温合成制备一种荧光材料的方法。

答：

一般认为固相反应过程经历四个阶段：

①反应物扩散；②化学反应;③产物成核；④晶体生长。

2、灯用荧光粉退化的主要原因。

答:

（1）紫外激发下光化学反应；

（2）与激发态的汞原子相互作用;（3）玻璃中钠离子的扩散。

3、三种以上荧光粉粒度分析的方法。

答：

①激光法;②图像分析法；③筛分法；④沉降法。

4、了解新型荧光粉的制备方法，重点掌握固相高温合成和燃烧方法。

答：

略

第11章阴极射线发光

1、CRT和FED显示器的结构和特点是？

答:

（1）CRT①结构:

主要由电子枪、偏转系统、荧光屏组成;②特点:

具有真空管壳.

（2）FED①结构：

由放电极组和交流电源与直流高压电源组成；②特点：

亮度高、重量轻、功耗小、分辨率高、工作电压低。

2、阴极射线发射的原理（了解）

答：

略

第12章X射线发光

1、简述X射线的本质。

（电磁波，波长短，光子能量大,具有波动性和粒子性）

答：

X射线和可见光一样属于电磁辐射,但其波长比可见光短得多，介于紫外线与γ射线之间，约为0.01～10nm的范围.

2、X射线与物质的相互作用的主要部分.（散射、吸收和透过）

答：

①一部分被散射;②一部分被吸收；③一部分透过物质继续沿原来的方向传播.

3、电子俘获型X射线存储荧光材料的工作机理。

答：

X光照射时，电子从价带激发到导带，因而在影像存储荧光粉中产生了自由载流子，它们被俘获在电子陷阱或者空穴陷阱中,由于杂质或晶体缺陷的缘故，这些陷阱被限定在禁带的某一能带上，如果陷阱的深度ΔE比kT大，因此这些载流子从陷阱中热逃逸的可能性很小,处于亚稳态.当再用可见光、红外光、低能紫外光照射或者热激励时，这些被陷阱俘获的载流子以荧光释放出来，被称为光激励发光材料。

第13章高能射线闪烁体

1、高能辐射的分类是什么?

答：

阴极射线、X射线、γ射线和α射线。

2、射线（入射粒子）与靶物质原子核外壳层电子的作用是什么?

答:

（1）射线与核外电子的非弹性碰撞：

电离、激发；

（2）射线与核外电子的弹性碰撞:

散射。

3、射线（入射粒子）与靶物质原子核的作用是什么？

重带电粒子（α粒子）与物质的相互作用是什么?

答：

（1）①射线与原子核的非弹性碰撞：

韧致辐射；②射线与原子核的弹性碰撞：

吸收。

（2）①α粒子与核外电子的作用:

电离、激发；②α粒子与原子核的作用：

散射；③吸收。

4、固体、有机和其他闪烁体的工作原理是什么?

答:

略。

5、简述一种闪烁体单晶的制备方法。

答：

提拉法:

把原料放入容器中熔化，将晶种浸入熔体，再将晶种缓慢地提拉出熔体.

第14章长余辉发光材料

1、什么是长余辉现象？

什么是余辉时间？

答：

（1）长余辉：

激发停止后能够持续长时间的发光。

（2）余辉时间:

当电子停止轰击后，亮点不能立即消失而要保留一段时间,亮点辉度下降到原始值的10％所经过的时间叫做“余辉时间”.

2、长余辉材料的发光机理解释？

（分立发光和复合发光）?

答：

根据空穴传输模型，当材料受UV激发时，Eu2+可俘获电子变为Eu+，由此产生的空穴经价带被Dy3+俘获生成Dy4+，停止激发后，由于热运动的关系,空穴发生逃逸，经过与上述过程相反的过程与导致Eu的特征发光。

3、半导体材料载流子在发光中心和陷阱中心能量传递的两种形式是什么？

答：

光子复合、声子复合。

4、实现白光长余辉材料的几种手段分别是？

答：

高温固相法、燃烧合成法、溶胶凝胶法。

第15章上转换发光材料

1、上转换发光和量子剪裁定义（英文名称）。

答:

（1）上转换发光：

红外光激发下发出可见光的过程。

（2）量子剪裁：

当外界激发能量足够大时,使电子被激发到非常高的能级上（4f或5d），当电子回到基态过程中，分布发射两个或多个光子，这种现象就是量子剪裁。

2、叙述和解释实现上转换发光可以有哪三种途径（上转换发光过程机理）？

答:

（1）激发态吸收：

①原理是同一个离子从基态通过连续多光子吸收到达能量较高的激发态的过程;②过程：

发光中心处于基态E1上的离子吸收一个能量为φ1 的光子，跃迁至中间亚稳态E2能级,若光子的振动能量恰好与E2能级及更高激发态能级E3的能量间隔匹配，那么E2能级上的该离子通过吸收光子能量而跃迁至E3能级，从而形成双光子吸收，若能满足能量匹配的要求，E3能级上的该离子就有可能向更高的激发态能级跃迁从而形成三光子甚至四光子吸收.只要该高能级上粒子数量够多，成粒子数反转，那么就可以实现较高频率的激光发射，出现上转换发光。

（2）能量转移：

能量传递是指通过非辐射过程将两个能量相近的激发态离子藕合，其中一个把能量转移给另一个回到低能态，另一个离子接受能量而跃迁到更高的能态。

能量传递上转换可以发生在同种离子之间，也可以发生在不同的离子之间。

（3）光子雪崩：

①当光敏二极管的PN结上加相当大的反向偏压时，在结区产生一个很高的电场，使进入场区的光生载流子获得足够的能量，通过碰撞使晶格原子电离,而产生新的电子-空穴对；②新的电子-空穴对在强电场的作用下分别向相反方向运动.在运动过程中，又有可能与原子碰撞再一次产生电子—空穴对；③只要电场足够强,此过程就将继续下去，达到载流子的雪崩倍增。

通常，雪崩光敏二极管的反向工作偏压略低于击穿电压。

3、解释量子剪裁过程的两种机理.

答：

略.

4、课本上给出的上转换材料发光的实例（会根据给出的图示进行描述和解释）

答：

P600-605

第16章电致发光材料

1、发光机制、发光材料的类型和器件结构对EL器件进行分类（注入与本征，无机与有机,薄膜和分散）

答：

略。

2、无机电致发光器件的机理是？

答:

①在发光层界面或绝缘层中处于深能级的电子在高场作用下被激发,并通过隧穿作用进入发光层；②初电子在发光层中被高场加速,成为过热电子；③过热电子碰撞发光中心，使发光中心的电子能量从基态跃迁到高能态；④当电子由高能态返回基态时，发出光子；⑤未被捕获的过热电子穿越整个发光层，最后在阳极一侧的绝缘层和发光层的界面处被捕获， 成为空间电荷。

3、小分子电致发光和聚合物电致发光器件的机理是?

答:

（1）小分子：

①在外加电场的作用下,电子和空穴分别从阴极和阳极向夹在电极之间的有机薄膜层注入;②注入的电子和空穴分别从电子传输层和空穴传输层向发光层迁移；③电子和空穴在发光层中相遇产生激子；④激子在有机固体薄膜中不断地作自由扩散运动，并以辐射或无辐射的方式失活；⑤当激子由激发态以辐射跃迁的方式回到基态，就可以观察到电致发光现象。

（2）聚合物：

在电场的作用下，将空穴和电子分别注入到共轭高分子的最高占有轨道和最低空轨道，于是就会产生正、负极子，极子在聚合物链段上转移，最后复合形成单重态激子,单重态激子辐射跃迁而发光。

4、LED的结构和发光基本原理、特性是？

答：

（1）LED主要由PN结芯片、电极、光学系统及附件等组成。

（2）原理:

当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合,产生自发辐射的荧光。

（3）特性：

使用低压电源、节能、稳定性好、响应时间短、环保、便宜。

5、用能级结构图说明OLED的工作原理.

答：

略

5、OLED器件中各种材料的基本要求是?

答：

（1）阳极材料:

功函数高，一侧透明；

（2）阴极材料：

功函数低；

（3）缓冲层材料：

空穴传输速率比电子传输速率大；

（4）载流子传输材料：

空穴和电子的注入速率基本相同；

（5）发光材料:

发光效率高等。

第17章固体激光材料

1、激光器的三个基本组成。

答：

（1）工作物质；

（2）激励能源;（3）光学共振腔。

2、自发辐射、受激辐射、受激吸收、粒子数反转分布的含义。

答:

（1）自发辐射：

在高能级E2的电子是不稳定的,即使没有外界的作用,也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。

（2）受激辐射：

在高能级E2上的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合,释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射。

（3）受激吸收：

在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。

（4）粒子数反转分布：

要想使受激辐射占优势或者说占主导地位，就必须使N2>N1。

如果借助于外界的激励，破坏粒子的热平衡分布,就可能使高能级E2的粒子数N2大于低能级E1的粒子数N1。

由于它们同正常分布相反，所以叫粒子数反转分布。

3、固体激光和半导体激光的产生过程。

答：

（1）固体激光：

在固体激光器中，由泵浦系统辐射的光能，经过聚焦腔，使在固体工作物质中的激活粒子能够有效的吸收光能,并在工作物质中形成粒子数反转，通过谐振腔，从而输出激光.

（2）半导体激光：

①注入电流，即注入载流子;②在有源区形成粒子数反转，导带电子不稳定，少数电子自发跃迁到价带,产生光子;③1个光子被导带中电子吸收跃迁到价带，同时释放出两个相干光子，持续这个过程，直到释放出多个相干光子，即在合适的腔内振荡放大;④光子稳定振荡，光能量大于总损耗时，激光器开始工作。

（用半导体物质在能带间跃迁发光,用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔,使光振荡、反馈，产生光的辐射放大,输出激光。

）

4、固体激光工作物质应具备的基本条件.

答：

（1）材料应具有合适的光谱特性;

（2）激发态吸收要小；（3）应具有良好的光学均匀性和稳定性;（4）应具有良好的物化性能.

第18章发光材料的分析技术

1、画出荧光光谱仪的简单图示，并请指出PL，PLE，time-resolvedPL谱的含义.

答：

PL:

荧光光谱；PLE：

荧光光谱仪；time—resolvedPL：

时间分辨荧光。

2、激发光谱和吸收光谱的差异与联系（比较）.

答：

激发光谱表示对发光起作用的激发光的波长范围.而吸收光谱或者反射光谱则只说明材料对外界能量的吸收，至于吸收以后的能量是否产生发光，则不一定。

把吸收光谱和激发光谱相互比较,就可以判断对发光有用的吸收光,以及不起作用的光。

3、了解色度学中主要指标:

色坐标、光通量、照度、辉度.

答：

略