光致發(fā)光材料性能測量方法

光致發(fā)光材料的原理和性能表征專業(yè)：微電子與固體電子學發(fā)光的相關概念光致發(fā)光原理光致發(fā)光材料的常見應用光致發(fā)光材料主要特性測量發(fā)光的相關概念發(fā)光就是物質內部以某種方式吸收能量以后，以熱輻射以外的光輻射形式發(fā)射出多余的能量的過程。光致發(fā)光(Photoluminescence)是用光激發(fā)發(fā)光材料引起的發(fā)光現(xiàn)象。固體吸收外界能量后很多情形是轉變?yōu)闊?，并非在任何情況下都能發(fā)光，只有當固體中存在發(fā)光中心時才能有效地發(fā)光。發(fā)光中心通常是由雜質離子或晶格缺陷構成。發(fā)光中心吸收外界能量后從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)，當從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時就以發(fā)光形式釋放出能量。光致發(fā)光原理：位形坐標模

晶體中的離子其吸收光譜與發(fā)射光譜與自由離子不同。自由離子的吸收光譜與發(fā)射光譜的能量相同，并且都是窄帶譜或銳線譜（0.01cm-1）。而晶體中離子的發(fā)射光譜的能量均低于吸收光譜的能量，并且是寬帶譜。這是由于晶格振動對離子的影響所致。與發(fā)光中心相聯(lián)系的電子躍遷可以和基質晶體中的原子（離子）交換能量，發(fā)光中心離子與周圍晶格離子之間的相對位置、振動頻率以及中心離子的能級受到晶體勢場影響等。因此，應當把激活劑離子及其周圍晶格離子看作一個整體來考慮。相對來說，由于原子質量比電子大得多，運動也慢得多，故在電子躍遷中，可以認為晶體中原子間的相對位置和運動速率是恒定不變的。這樣，就可以采用一種所謂的位形坐標來討論發(fā)光中心的吸收和發(fā)射過程。

所謂位形坐標圖，就是用縱坐標表示晶體中發(fā)光中心的勢能，其中包括電子和離子的勢能以及相互作用在內的整個體系的能量；橫坐標則表示中心離子和周圍離子的位形（Configration），其中包括離子之間相對位置等因素在內的一個籠統(tǒng)的位置概念。一般的也可代用粒子間核間距作橫坐標。圖1是發(fā)光中心基態(tài)的位形坐標示意圖。圖中連續(xù)的曲線表示勢能作為發(fā)光中心離子核間距函數(shù)的定量變化關系，它在平衡距離re處有一個極小值，水平線ν0、ν1、ν2……表示粒子在基態(tài)具有的不同量子振動態(tài)。圖1發(fā)光中心基態(tài)的勢能圖光致發(fā)光材料性能測量方法圖2給出了基態(tài)和激發(fā)態(tài)的位形示意圖，由此可以解釋發(fā)光的許多特性。激活過程包括電子從基態(tài)能級A躍遷到激發(fā)態(tài)的較高能級B產生一個活性中心。依照弗蘭克-康登原理，這個過程體系能量從A垂直上升到B，而離子的位形基本不變。但在激發(fā)態(tài)，由于離子松弛（即位形改變），電子以熱能形式散射一部分能量返到新激發(fā)態(tài)能級C形成新的活性中心。那么，發(fā)光過程就是電子從活化中心C回到原來基態(tài)A或D。顯然，激活過程能量ΔEAB>ΔECA或ΔECD。這就解釋了斯托克位移。

圖2發(fā)光中心基態(tài)和激發(fā)態(tài)的勢能圖

應用之一:解釋斯托克位移應用之二:解釋發(fā)光“熱淬滅”效應任何發(fā)光材料，當溫度升高到一定溫度時，發(fā)光強度會顯著降低。這就是所謂的發(fā)光“熱淬滅”效應（Thermalquenchingeffect）。利用圖2可以解釋這一現(xiàn)象。在圖2中，基態(tài)和激發(fā)態(tài)的勢能曲線交叉于E點。在該點，激發(fā)態(tài)的離子在能量不改變的情況下就可以回到基態(tài)（E也是基態(tài)勢能曲線上的一點），然后再通過一系列的改變振動回到基態(tài)的低能級上去。因此，E點代表一個“溢出點”（SpillorerPoint）。如果處于激發(fā)態(tài)的離子能獲得足夠的振動能而達到E點，它就溢出了基態(tài)的振動能級。如果這樣，全部能量就都以振動能的形式釋放出來，因而沒有發(fā)光產生。顯然，E點的能量是臨界的。一般說來，溫度升高，離子熱能增大，依次進入較高振動能級，就可能達到E點。圖2發(fā)光中心基態(tài)和激發(fā)態(tài)的勢能圖

另外，在吸收了光以后，離子晶格有一定弛豫，故平衡位置re只有統(tǒng)計平均的意義，實際上是一個極小的區(qū)間，因此吸收光譜就包括許多頻率（或波長）而形成寬帶。這就是固體中離子光譜呈帶狀的原因。在上述熱淬滅現(xiàn)象的那種情況中，激發(fā)離子通過把振動能傳遞給環(huán)境——基質晶格，而失掉了其剩余的能量，返回到較低的能級上。這種躍遷過程不發(fā)射電磁波，即光，因而稱為非輻射躍遷（nonrediativetransition）.類似這種非輻射躍遷，在敏活磷光體的機制中還包括一類非輻射能量傳遞（nonrediativeenergytransition）。圖3說明這種情況。應用之三：解釋非輻射躍遷圖3某些雜質對發(fā)光材料有“毒物”作用，激發(fā)光因材料含有毒物而淬滅。毒物效應往往是以非輻射能傳遞方式起作用的：能量或從敏活劑或激活劑傳遞到毒物上，而后者將能量以振動能散射到基質晶格中，以致活性中心不能發(fā)光。具有非輻射躍遷的離子有Fe3+、Co2+、Ni2+等，因而在制備磷光材料中應當杜絕這些雜質的存在。應用之四：解釋“毒物”作用光致發(fā)光材料的常見應用熒光燈LED激光夜明設施生物熒光標記太陽能電池熒光燈（日光燈、節(jié)能燈）熒光燈（fluorescentlamp）是一種充有氬氣的低氣壓汞蒸氣的氣體放電燈，在低壓汞蒸氣放電過程中會產生大量的波長為253.7mm的紫外線，以及少量波長為185nm的紫外線和可見光。在燈管表面涂有熒光粉，可以將波長為253.7nm的紫外線轉化為可見光。熒光燈按外形結構可以分為兩大類：直管型熒光燈和異型熒光燈。按所涂熒光粉的不同又有日光色、冷色和暖色熒光燈之分。LED白光LED的制作方案紅、綠、藍三色LED實現(xiàn)白光LED生產成本最高，由于三種顏色的LED量子效率不同，而且隨著溫度和驅動電流的變化不一致，隨時間的衰減速度也各不相同，紅、綠、藍LED的衰減速率依次上升。因此，為了保持顏色的穩(wěn)定，需要對三種顏色分別加反饋電路進行補償，導致電路復雜，而且會造成效率損失。固體激光器激光器是受激發(fā)射光放大器。激光器發(fā)射的光就是激光。激光束可用于加工高熔點材料，也可用于醫(yī)療、精密計量、測距、全息檢測、農作物育種、同位素分離、催化、信息處理、引發(fā)核聚變、大氣污染監(jiān)測以及基本科學研究各方面，有力地促進了物理、化學、生物、信息等諸多學科的發(fā)展。激光器按其工作物質可以還分為固體激光器、氣體激光器和液體染料激光器?？梢?，激光工作物質對激光器的發(fā)展起著決定性的作用。而固體激光晶體的研究和發(fā)展是固體化學的一個重要領域。激光晶體激活和發(fā)光過程：激活過程是將活化中心注入到激發(fā)態(tài)，稱作激勵。這樣的活化中心具有合理的壽命。換句話說，這些活化中心受激后并不立即發(fā)射能量回到基態(tài)，而是待激勵遍及“全域”。因而激發(fā)態(tài)比基態(tài)具有更多的活化中心。發(fā)光時，從一個活化中心發(fā)出的光刺激其他活化中心，以致輻射在整個相中進行，于是就構成了相干輻射的強烈光束或脈沖。

能量（103cm-1）

4F1204F2

非輻射躍遷

10激活2E

激光693.3nm04A2基態(tài)

紅寶石晶體中Cr3+的能級和激光發(fā)射用強可見光照射到紅寶石晶體上，Cr3+鉻離子的d電子從基態(tài)4A2激發(fā)到較高的激發(fā)態(tài)4F1、4F2能級。這些能級上的電子通過非輻射過程很快回到稍低一些的能級2E。2E激發(fā)態(tài)能級的壽命非常長，約為5×10-3秒。這意味著有足夠的時間可以將這種激發(fā)狀況普遍化。從能級2E回到基態(tài)就產生激光。在這一轉變過程，晶體相中許多離子互相激勵、衰變，便產生了強的波長為693nm的相干紅光脈沖。夜明設施（長余輝材料）所謂長余輝發(fā)光是指發(fā)光材料在停止激發(fā)后，發(fā)光不會立即消失，而是持續(xù)較長時間（從數(shù)秒到幾十個小時）的發(fā)光現(xiàn)象。這種材料在吸收可見光或者紫外光時能夠儲存能量，然后以可見光的形式將被存儲能量緩慢釋放，也就成為了一種長余輝發(fā)光。在光線較暗的場所、黑夜或者突然照明斷電的時候，這種材料能起到應急顯示、安全照明的作用。沒有放射性、安全可靠、結構穩(wěn)定。一般認為長余輝材料的發(fā)光應該經(jīng)歷以下幾個過程i)基質晶格激活劑離子吸收能量，此能量可以是可見光，也可以是同位素離子輻照的射線。ii）被吸收的能量以別的形式被存儲。iii)能量被傳遞給激活劑離子，將激活劑離子的外層電子從基態(tài)激發(fā)至激發(fā)態(tài)。iv)電子從激發(fā)態(tài)躍遷至基態(tài)從而產生激活劑離子的特征發(fā)射。生物熒光標記熒光探針技術是一種利用探針化合物的光物理和光化學特征，在分子水平上研究某些體系的物理、化學過程和檢測某種特殊環(huán)境材料的結構及物理性質的方法。由于大多數(shù)生物分子本身無熒光或熒光較弱，檢測靈敏度較低，人們用強熒光的標記試劑或熒光生成試劑與待測物進行標記或衍生，即利用某些試劑與非熒光或弱熒光化合物以共價鍵或其它形式結合形成發(fā)熒光的絡合物或聚集體進行測定，其基本特點是具備高度靈敏性和極寬的動態(tài)響應時間。太陽能電池太陽能作為可以解決化石燃料枯竭和地球環(huán)境問題的綠色能源越來越備受矚目。利用光伏效應將太陽能轉換成電能的太陽能電池是當前合理利用太陽能的重要裝置之一。然而，目前所廣泛使用的硅基太陽能電池其光電轉換效率理論最大值僅30%，實際轉換效率約15%。利用摻稀土光功能材料如能實現(xiàn)吸收一個可見光子，而發(fā)射兩個或多個紅外光子，則紅外量子剪裁材料有望大力提高硅基太陽能電池光電轉換效率。光致發(fā)光材料主要特性測量吸收光譜反射光譜發(fā)射光譜激發(fā)光譜熒光壽命色品坐標發(fā)光效率吸收光譜當光照射到發(fā)光材料上時，一部分被反射、散射，一部分透射，剩下的被吸收。只有被吸收的這部分光才對發(fā)光起作用。但是也不是所有被吸收的光的各個波長都能起激發(fā)作用。研究哪些波長被吸收，吸收多少，顯然是重要的。吸收系數(shù)kλ隨波長（或頻率）的變化，叫吸收光譜。發(fā)光材料的吸收光譜，首先決定于基質，而激活劑和其他雜質也起一定的作用，它們可以產生吸收帶或吸收線。多數(shù)實用得發(fā)光材料都是粉末狀，是由微小的晶粒組成的。這對精確測量吸收光譜造成很大的困難。反射光譜反射光譜，是反射率Rλ隨波長（或頻率）的變化。而所謂反射率，是指反射光的總量（因為既然是粉末，漫反射就很強，這里指的是漫反射）和入射光的總量之比。通過材料的反射光譜來估計由微小的晶粒組成的粉末狀發(fā)光材料對光的吸收。激發(fā)光譜激發(fā)光譜是指發(fā)光的某一譜線或譜帶的強度隨激發(fā)光波長（或頻率）的變化。由此可知，激發(fā)光譜反映不同波長的光激發(fā)材料的效果。激發(fā)光譜的橫軸代表所用的激發(fā)光波長，縱軸代表發(fā)光的強弱，可以用能量或發(fā)光強度表示。發(fā)射光譜發(fā)光材料的發(fā)射光譜，指的是發(fā)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)的譜帶，分布在很廣的范圍。發(fā)光中心的結構決定發(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，因此又具有不同的性能。熒光壽命處在發(fā)射熒光的高能級的粒子，經(jīng)過一段時間就會向低能級躍遷而發(fā)射熒光，這段時間是隨機的，它的平均值稱為熒光壽命。它表現(xiàn)為激發(fā)停止后，熒光衰減到起始發(fā)光強度的1/e所經(jīng)歷的時間。激發(fā)停止后；發(fā)光強度隨時間而降低的現(xiàn)象叫發(fā)光的衰減。這時的發(fā)光叫余輝。色品坐標實驗發(fā)現(xiàn)，人眼的視覺響應應取決于紅、綠、藍三分量的代數(shù)和，即它們的比例決定了彩色視覺，而其亮度在數(shù)量上等于三基色的總和。顏色可由紅(R)、綠(G)、藍(B)三基色相加而得。在顏色方程中﹐因有C=R+G+B﹐將配色方程變形為(C)=R/C(R)+G/C(G)+B/C(B)﹐由此可以看出三原色的刺激值在總顏色的刺激值(R+G+B)中所占的比例﹐取決于三刺激值的相對量。令r=R/(R+G+B)﹑g=G/(R+G+B)﹑b=B/(R+G+B)﹐稱為色品坐標(相對三色系數(shù))。發(fā)光效率發(fā)光效率是發(fā)光體把受激發(fā)時吸收的能量轉換為光能的能力。它是表征發(fā)光體功能的重要參量，可有三種表示方法