光致發(fā)光的光譜

1、光致發(fā)光發(fā)光光譜光致發(fā)光發(fā)光光譜 光致光致發(fā)光光譜的發(fā)光光譜的產(chǎn)生機(jī)理產(chǎn)生機(jī)理斯托克斯發(fā)光和反斯托克斯斯托克斯發(fā)光和反斯托克斯發(fā)光發(fā)光2 一一 光致發(fā)光發(fā)光光譜（也稱發(fā)射光譜）光致發(fā)光發(fā)光光譜（也稱發(fā)射光譜） 發(fā)光材料的發(fā)射光譜，指的是發(fā)出光的能量按波長或頻率的分布，許多發(fā)光材料的發(fā)射光譜是連續(xù)的寬帶譜。一般地，光譜的形狀可以用高斯函數(shù)來表示，即 EV = EV0 exp-a(-0)2 我們知道，光致發(fā)光是發(fā)光材料吸收光子（或電磁波）后重新輻射出光（或電磁波）的過程。 其中是頻率，EV是在頻率附近的發(fā)光能量密度相對(duì)值，Evo是在峰值頻率u0時(shí)的相對(duì)能量，是正的常數(shù)。一般的發(fā)光譜帶，至少近似地都

2、可以用如上公式表示。1 1 光致發(fā)光發(fā)光光譜簡介光致發(fā)光發(fā)光光譜簡介 01020304050 630 640 650 660 Intensity/a.u./nm12+643.3642.61-Excited by 270nm2-Excited by 470nm4505005506006507000102030405060708090100Intensity/a.u./nm Ce0.02 Ce0.06 Ce0.1 Ce0.2 Ce0.3 Ce0.4 Ce0.5 Ce0.612345678+507.7557.5+12345678 燃燒法CaS:Eu,Sm樣品的熒光發(fā)射光譜燃燒法CaS:Ce,Sm樣品

3、的熒光發(fā)射光譜4 發(fā)光中心的結(jié)構(gòu)決定發(fā)射光譜的形成。因此，不同的發(fā)光中心的結(jié)構(gòu)決定發(fā)射光譜的形成。因此，不同的發(fā)光譜帶，是來源于不同的發(fā)光中心，因此又具有不同的發(fā)光譜帶，是來源于不同的發(fā)光中心，因此又具有不同的性能。性能。 有一些材料的發(fā)光譜帶比較窄，并且在低溫下（液氮有一些材料的發(fā)光譜帶比較窄，并且在低溫下（液氮或液氦溫度下）顯現(xiàn)出結(jié)構(gòu)，即分解成許多譜線。還有一或液氦溫度下）顯現(xiàn)出結(jié)構(gòu)，即分解成許多譜線。還有一些材料在室溫下的發(fā)射光譜就是線狀譜。些材料在室溫下的發(fā)射光譜就是線狀譜。 2 2 發(fā)光中心發(fā)光中心 發(fā)光光譜是怎樣形成的呢？發(fā)光光譜是怎樣形成的呢？ 發(fā)光體吸收外界的能量以后，經(jīng)過傳輸

4、、轉(zhuǎn)換等一發(fā)光體吸收外界的能量以后，經(jīng)過傳輸、轉(zhuǎn)換等一系列過程，最后以光的形式發(fā)射出來。光的發(fā)射對(duì)應(yīng)著系列過程，最后以光的形式發(fā)射出來。光的發(fā)射對(duì)應(yīng)著電子在某些能級(jí)之間的躍遷。如果所涉及的能級(jí)是屬于電子在某些能級(jí)之間的躍遷。如果所涉及的能級(jí)是屬于一定的離子、離子團(tuán)或分子時(shí)，這種離子、離子團(tuán)或分一定的離子、離子團(tuán)或分子時(shí)，這種離子、離子團(tuán)或分子就稱為發(fā)光中心。子就稱為發(fā)光中心。5 發(fā)光材料吸收了激發(fā)光發(fā)光材料吸收了激發(fā)光 ，就會(huì)在內(nèi)部發(fā)生能量狀態(tài)的，就會(huì)在內(nèi)部發(fā)生能量狀態(tài)的轉(zhuǎn)變：有些離子被激發(fā)到較高的能量狀態(tài)，或者晶體內(nèi)產(chǎn)生轉(zhuǎn)變：有些離子被激發(fā)到較高的能量狀態(tài)，或者晶體內(nèi)產(chǎn)生了電子和空穴等。而電

5、子和空穴一旦產(chǎn)生，它們的運(yùn)動(dòng)也伴了電子和空穴等。而電子和空穴一旦產(chǎn)生，它們的運(yùn)動(dòng)也伴隨著能量的傳輸和激發(fā)態(tài)的轉(zhuǎn)移。這樣，激發(fā)狀態(tài)也就不會(huì)隨著能量的傳輸和激發(fā)態(tài)的轉(zhuǎn)移。這樣，激發(fā)狀態(tài)也就不會(huì)局限在一個(gè)地方，而將發(fā)生轉(zhuǎn)移。即使只是離子被激發(fā)，不局限在一個(gè)地方，而將發(fā)生轉(zhuǎn)移。即使只是離子被激發(fā)，不產(chǎn)生自由電子，處于激發(fā)態(tài)的離子也可以和附近的離子相互產(chǎn)生自由電子，處于激發(fā)態(tài)的離子也可以和附近的離子相互作用而將激發(fā)能量傳出去。這就是說，原來被激發(fā)的離子回作用而將激發(fā)能量傳出去。這就是說，原來被激發(fā)的離子回到基態(tài)，而附近的離子則轉(zhuǎn)到激發(fā)態(tài)。這樣的過程可以一個(gè)到基態(tài)，而附近的離子則轉(zhuǎn)到激發(fā)態(tài)。這樣的過程可以

6、一個(gè)接一個(gè)地繼續(xù)下去，形成激發(fā)能量的傳輸。接一個(gè)地繼續(xù)下去，形成激發(fā)能量的傳輸。 二二 光致發(fā)光光譜的產(chǎn)生機(jī)理光致發(fā)光光譜的產(chǎn)生機(jī)理1 1 光致發(fā)光過程中的能量傳輸及轉(zhuǎn)化光致發(fā)光過程中的能量傳輸及轉(zhuǎn)化6 并不是激發(fā)能量全部都要經(jīng)過傳輸，能量傳輸也不會(huì)并不是激發(fā)能量全部都要經(jīng)過傳輸，能量傳輸也不會(huì)無限的延續(xù)下去。激發(fā)的離子處于高能態(tài)，它們就不是穩(wěn)無限的延續(xù)下去。激發(fā)的離子處于高能態(tài)，它們就不是穩(wěn)定的，隨時(shí)有可能回到基態(tài)。在回到基態(tài)的過程中，如果定的，隨時(shí)有可能回到基態(tài)。在回到基態(tài)的過程中，如果發(fā)射出光子，這就是發(fā)光。這個(gè)過程就叫做發(fā)射出光子，這就是發(fā)光。這個(gè)過程就叫做發(fā)光躍遷或輻發(fā)光躍遷或輻射躍

7、遷射躍遷。如果離子在回到基態(tài)時(shí)不發(fā)射光子，而將激發(fā)能。如果離子在回到基態(tài)時(shí)不發(fā)射光子，而將激發(fā)能散發(fā)為熱（晶格振動(dòng)），這就稱為散發(fā)為熱（晶格振動(dòng)），這就稱為無輻射躍遷或猝滅無輻射躍遷或猝滅。2 2 發(fā)光和猝滅發(fā)光和猝滅 激發(fā)的離子是發(fā)射光子，還是發(fā)生無輻射躍遷，或者激發(fā)的離子是發(fā)射光子，還是發(fā)生無輻射躍遷，或者是將激發(fā)能量傳遞給別的離子，這幾種過程都有一定的幾是將激發(fā)能量傳遞給別的離子，這幾種過程都有一定的幾率，決定于離子周圍的情況（如近鄰離子的種類、位置率，決定于離子周圍的情況（如近鄰離子的種類、位置等）。等）。 7 對(duì)于由激發(fā)而產(chǎn)生的電子和空穴，它們也不是穩(wěn)定的，對(duì)于由激發(fā)而產(chǎn)生的電子和空

8、穴，它們也不是穩(wěn)定的，最終將會(huì)復(fù)合。不過在復(fù)合以前有可能經(jīng)歷復(fù)雜的過程。最終將會(huì)復(fù)合。不過在復(fù)合以前有可能經(jīng)歷復(fù)雜的過程。 一般而言，電子和空穴總是通過某種特定的中心而實(shí)一般而言，電子和空穴總是通過某種特定的中心而實(shí)現(xiàn)復(fù)合的。如果復(fù)合后發(fā)射出光子，這種中心就是發(fā)光中現(xiàn)復(fù)合的。如果復(fù)合后發(fā)射出光子，這種中心就是發(fā)光中心（它們可以是組成基質(zhì)的離子、離子團(tuán)或有意摻入的激心（它們可以是組成基質(zhì)的離子、離子團(tuán)或有意摻入的激活劑）。有些復(fù)合中心將電子和空穴復(fù)合的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊峄顒Ｓ行?fù)合中心將電子和空穴復(fù)合的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊岫话l(fā)射光子，這樣的中心就叫做而不發(fā)射光子，這樣的中心就叫做猝滅中心猝滅中心。 發(fā)光

9、和猝滅在發(fā)光材料中互相獨(dú)立互相競爭的兩種過發(fā)光和猝滅在發(fā)光材料中互相獨(dú)立互相競爭的兩種過程。猝滅占優(yōu)勢時(shí)，發(fā)光就弱，效率也低。反之，發(fā)光就程。猝滅占優(yōu)勢時(shí)，發(fā)光就弱，效率也低。反之，發(fā)光就強(qiáng)，效率也高。強(qiáng)，效率也高。 3 3 猝滅中心猝滅中心8 如果我們把一種材料的發(fā)射光譜和激發(fā)光譜加以比較，如果我們把一種材料的發(fā)射光譜和激發(fā)光譜加以比較，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，在就會(huì)發(fā)現(xiàn)，在絕大多數(shù)絕大多數(shù)的情況下，發(fā)光譜帶總是位于相的情況下，發(fā)光譜帶總是位于相應(yīng)的激發(fā)譜帶的長波邊。應(yīng)的激發(fā)譜帶的長波邊。 斯托克斯定律：指發(fā)射的光子能量小于吸收的光子能斯托克斯定律：指發(fā)射的光子能量小于吸收的光子能量，材料的發(fā)光譜帶位于其

10、相應(yīng)激發(fā)譜帶的長波邊，即量，材料的發(fā)光譜帶位于其相應(yīng)激發(fā)譜帶的長波邊，即材料吸收高能量的短波輻射，而發(fā)射出低能量的長波輻材料吸收高能量的短波輻射，而發(fā)射出低能量的長波輻射射。 三三 斯托克斯發(fā)光和反斯托克斯發(fā)光斯托克斯發(fā)光和反斯托克斯發(fā)光 200300400500600051015202530268.3470.3620.3Intensity/a.u./nm01020304050 630 640 650 660 Intensity/a.u./nm12+643.3642.61-Excited by 270nm2-Excited by 470nm CaS:Eu,Sm的激發(fā)光譜和熒光發(fā)射光譜波長比較1

11、0七、七、斯托克斯定律和反斯托克斯發(fā)光斯托克斯定律和反斯托克斯發(fā)光 E13E12E11E03E02E01上發(fā)光中心的能級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖 11 發(fā)光光子的能量就有可能大于激發(fā)光子的能量。這種發(fā)光光子的能量就有可能大于激發(fā)光子的能量。這種發(fā)光稱為反斯托克斯發(fā)光，它在實(shí)際上是存在的。但是它發(fā)光稱為反斯托克斯發(fā)光，它在實(shí)際上是存在的。但是它的強(qiáng)度很低，常常被看作是一種例外情況，沒有實(shí)用價(jià)值。的強(qiáng)度很低，常常被看作是一種例外情況，沒有實(shí)用價(jià)值。 實(shí)際上，對(duì)大多數(shù)發(fā)光材料而言，即使用發(fā)光區(qū)內(nèi)的實(shí)際上，對(duì)大多數(shù)發(fā)光材料而言，即使用發(fā)光區(qū)內(nèi)的波長還能夠激發(fā)發(fā)光，效率也是極低的。隨著激發(fā)波長的波長還能夠激發(fā)發(fā)光，效率也是極低的。隨著激發(fā)波長的增長，效率趨近于零。因此過去認(rèn)為，反斯托克斯發(fā)光只增長，效率趨近于零。因此過去認(rèn)為，反斯托克斯發(fā)光只有理論上的意義。有理論上的意義。 七、七、斯托克斯定律和反斯托克斯