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詳解光緻發光

作者:東譜科技(廣州)有限責任公司 瀏覽: 發表時間:2018-09-12 09:00:00 來源:光電資訊

光緻發光是指物體依賴外界光源進行照射,從而獲得能量,產生激發導緻發光的現象,今天的光學課堂為大家帶來的是關於光緻發光的內容,有興趣的朋友們可以看看!

光緻發光是冷發光的一種,指物質吸收光子(或電磁波)後重新輻射出光子(或電磁波)的過程。它大緻經過吸收、能量傳遞及光發射三個主要階段,光的吸收及發射都發生於能級之間的躍遷,都經過激發態。而能量傳遞則是由於激發態的運動。紫外輻射、可見光及紅外輻射均可引起光緻發光。如磷光與熒光。

如何產生

激發態的分布按能量的高低可以分為三個區域。低於禁帶寬度的激發態主要是分立中心的激發態。關於這些激發態能譜項及其性質的研究,涉及到雜質中心與點陣的相互作用,可利用晶體場理論進行分析。

隨著這一相互作用的加強,吸收及發射譜帶都由窄變寬,溫度效應也由弱變強,特別是猝滅現象變強,使一部分激發能變為點陣振動。在相互作用較強的情況下,激發態或基態都隻能表示中心及點陣作為一個統一系統的狀態。通常用位形坐標曲線表示。電子躍遷一般都在曲線的極小值附近發生。

但是,近年關於過熱發光的研究,證明發光也可以從比較高的振動能級起始,這在分時光譜中可得到直觀的圖像,反映出參與躍遷的聲子結構。

接近禁帶寬度的激發態是比較豐富的,包括自由激子、束縛激子及施主-受主對等。當激發密度很高時,還可出現激子分子,而在間接帶隙半導體內甚至觀察到電子-空穴液滴。 激子又可以和能量相近的光子耦合在一起,形成電磁激子(excitonic polariton)。

束縛激子的發光是常見的現象,它在束縛能上的微小差異常被用來反映束縛中心的特征。在有機分子晶體中,最低的電子激發態是三重激子態,而單態激子的能量幾乎是三重態激子能量的兩倍。分子晶體中的分子由於近鄰同類分子的存在,會出現兩種效應:“紅移”(約幾百cm)及“達維多夫劈裂”。這兩種效應對單態的影響都大於對三重態的影響。

能量更高的激發態是導帶中的電子,包括熱載流子所處的狀態。後者是在能量較高的光學激發下。載流子被激發到高出在導帶(或價帶)中熱平衡態的情況,通常可用電子(或空穴)溫度(不同於點陣溫度)描述它們的分布。

實驗證明,熱載流子不需要和點陣充分交換能量直至達到和點陣處於熱平衡的狀態即可複合發光,盡管它的複合截面較後者小。熱載流子也可在導帶(或價帶)內部向低能躍遷。這類發光可以反映能帶結構及有關性質。

激發態的運動是發光中的重要過程,能量傳遞是它的一個重要途徑。分子之間的能量傳遞幾率很大,處於激發態的分子被看作是激子態。無機材料中的能量傳遞也非常重要,在技術上已得到應用。無輻射躍遷是激發態弛豫中的另一重要途徑。對發光效率有決定性的影響。

實際應用

光緻發光最普遍的應用為日光燈。它是燈管內氣體放電產生的紫外線激發管壁上的發光粉而發出可見光的。

其效率約為白熾燈的5倍。此外,“黑光燈”及其他單色燈的光緻發光廣泛地用於印刷、複製、醫療、植物生長、誘蟲及裝飾等技術中。上轉換材料則可將紅外光轉換為可見光,可用於探測紅外線,例如紅外激光的光場等。

光緻發光可以提供有關材料的結構、成分及環境原子排列的信息,是一種非破壞性的、靈敏度高的分析方法。激光的應用更使這類分析方法深入到微區、選擇激發及瞬態過程的領域,使它又進一步成為重要的研究手段,應用到物理學、材料科學、化學及分子生物學等領域,逐步出現新的邊緣學科。

光緻發光是一種探測材料電子結構的方法,它與材料無接觸且不損壞材料。光直接照射到材料上,被材料吸收並將多餘能量傳遞給材料,這個過程叫做光激發。

這些多餘的能量可以通過發光的形式消耗掉。由於光激發而發光的過程叫做光緻發光。光緻發光的光譜結構和光強是測量許多重要材料的直接手段。

光激發導緻材料內部的電子躍遷到允許的激發態。當這些電子回到他們的熱平衡態時,多餘的能量可以通過發光過程和非輻射過程釋放。

光緻發光輻射光的能量是與兩個電子態間不同的能級差相聯系的,這其中涉及到了激發態與平衡態之間的躍遷。激發光的數量是與輻射過程的貢獻相聯系的。

光緻發光可以應用於:帶隙檢測,雜質等級和缺陷檢測,複合機製以及材料品質鑒定。

材料分類

光的吸收和發射均發生在能級之間的躍遷過程中,都經曆激發態,而能量傳遞則是由於激發態運動。激發光輻射的能量可直接被發光中心(激活劑或雜質)吸收,也可能被發光材料的基質吸收。在第一種情況下,發光中心吸收能量向較高能級躍遷,隨後躍遷回到較低的能級或基態能級而產生發光。

在第二種情況下,基質吸收光能,在基質中形成電子一空穴對,它們可能在晶體中運動,被束縛在發光中心上,發光是由於電子一空穴的複合而引起的。當發光中心離子處於基質的能帶中時,會形成一個局域能級,處在基質導帶和價帶之間,即位於基質的禁帶中。

對於不同的基質結構,發光中心離子在禁帶中形成的局域能級的位置不同,從而在光激發下,會產生不同的躍遷,導緻不同的發光色。光緻發光材料分為熒光燈用發光材料、等離子體顯示平板( PDP)用發光材料、長餘輝發光材料和上轉換發光材料。

熒光粉材料

發光二極管( LED)是固體光源,具有節能、環保、全固體化、壽命長等優點,是21世紀人類解決能源危機的重要途徑之一。白光LED以其省電(為白熾燈的1/8,熒光燈的1/2)、體積小、發熱量低、可低壓或低電流起動、壽命長(120000h以上)、響應快、抗震耐衝、可回收、無汙染、可平面封裝、易開發成輕薄短小產品等優點得到了迅猛的發展。白光LED廣泛應用於城市景觀照明、液晶顯示背光源、室內外普通照明等多種照明領域,被認為是替代白熾燈、熒光燈的新一代綠色照明光源。

1,獲取白光LED的方法

獲取白光LED的主要途徑有以下三種。①利用三基色原理和已能生產的紅、綠、藍三種超高亮度的LED,按光強1:2:0.38的比例混合而成白色。但由於LED器件光輸出會隨溫度升高而下降,不同的LED下降程度差別較大,結果造成混合白光的色差,限製了用三基色LED芯片組裝實現白光的應用。②藍色LED芯片與可被藍光有效激發的發黃光熒光粉結合,組成白光;這時LED用熒光粉吸收一部分藍光,受激發後發射黃光,發射的黃光與剩餘的藍光混合,通過調控二者的強度比後,可以獲得各種色溫的白光。③采用發紫外光的LED芯片和可被紫外光有效激發而發射紅、綠、藍三基色的熒光粉,產生多色混合組成白光LED。此外,也可選用兩基色、四基色,甚至五基色熒光粉來獲得白光。

熒光粉性能的好壞直接影響白光LED的性能。製備白光發光二極管大多離不開稀土熒光粉,主要有黃色熒光粉和三基色熒光粉等。因此獲得化學性質穩定和性能優異的熒光粉是實現白光LED的關鍵。

2,LED用黃色熒光粉

藍色LED芯片和一種或多種能被藍光有效激發的熒光粉有機結合可組成白色LED。其中發展最成熟的是藍色LED與黃色熒光粉的組合,一部分藍光被熒光粉吸收後,激發熒光粉發射黃光,發射的黃光和剩餘的藍光混合,調控它們的強度比,即可得到各種色溫的白光。這種方法驅動電路設計簡易、生產容易、耗電量低。

當今使用最多的是InGaN藍光LED,發射峰值450~480nm,采用藍光LED激發黃光熒光粉獲得白光。熒光粉使用的是三價鈰激活的稀土石榴石體系(YAG)熒光粉,它的吸收和激發光譜與InGaN芯片的藍色發光光譜匹配較佳,發射光譜覆蓋綠一黃(橙黃光)的光譜範圍,缺少紅色成分,色調偏冷,不能達到室內照明的要求。為解決這一問題,可以在YAG黃色熒光粉中摻入適量的紅色熒光粉。

長餘輝發光材料

長餘輝發光材料是在自然光或人造光源照射下能夠存儲外界光輻照的能量,然後在某一溫度下(指室溫),緩慢地以可見光的形式釋放,是一種存儲能量的光緻發光材料。長餘輝發光材料稱做蓄光材料或夜光材料。長餘輝發光材料在弱光顯示、照明、特殊環境(交通、航天、航海、印染、紡織、藝術品等)等方面有重要的應用。

稀土離子摻雜的堿土鋁(矽)酸鹽長餘輝材料已進入實用階段。市場上可見的產品除了初級的熒光粉外,主要有夜光標牌、夜光油漆、夜光塑料、夜光膠帶、夜光陶瓷、夜光纖維等,主要用於暗環境下的弱光指示照明和工藝美術品等。

長餘輝材料的形態已從粉末擴展至玻璃、單晶、薄膜和玻璃陶瓷;對長餘輝材料應用的要求也從弱光照明、指示等擴展到信息存儲、高能射線探測等領域。

長餘輝發光材料屬於電子俘獲材料,其發光現象是由材料中的陷阱能級所緻。由於能級結構的複雜性以及受測試分析手段所限,長餘輝材料的發光機理還沒有十分清晰、統一的理論模型。比較典型的理論模型有空穴模型、電子陷阱模型和位型坐標模型等三種,其中位型坐標模型是得到較多認可的。

上轉換發光材料

上轉換發光材料是一種吸收低能光輻射,發射高能光輻射的發光材料。上轉移發光,是指兩個或兩個以上低能光子轉換成一個高能光子的現象。

上轉換發光材料的發光機理是由於雙光子或多光子的耦合作用;其特點是所吸收的光子能量低於所發射的光子能量,這種現象違背斯托克斯(Stokes)定律,因此這類材料又稱為反斯托克斯發光材料。

在一些文獻中上轉換發光材料特指將紅外光轉換成可見光的材料。

上轉換主要的應用領域有全固態緊湊型激光器件(紫、藍、綠區域)、上轉換熒光粉、三維立體顯示、紅外量子計數器、溫度探測器、生物分子的熒光探針、光學存儲材料等。

自20世紀60年代發現上轉換發光材料以來,人們對上轉換發光進行了廣泛的研究。90年代後,隨著應用領域的拓寬,上轉換發光的研究又重新活躍起來;特別是納米微粒的上轉換發光的研究,引起了世界各國的高度重視。

國內外研究方向主要集中在以氧化釔為發光基質材料,摻雜稀土金屬鐿、鉺等離子的納米微粒材料的製備方法以及其發光機製、發光效率改進等方面。

光緻發光光譜

光緻發光光譜(Photoluminescence Spectroscopy,簡稱PL譜),指物質在光的激勵下,電子從價帶躍遷至導帶並在價帶留下空穴;電子和空穴在各自的導帶和價帶中通過弛豫達到各自未被占據的最低激發態(在本征半導體中即導帶底和價帶頂),成為準平衡態;準平衡態下的電子和空穴再通過複合發光,形成不同波長光的強度或能量分布的光譜圖。光緻發光過程包括熒光發光和磷光發光。

光譜應用

在激發光能量不是非常大的情況下,PL測試是一種無損的測試方法,可以快速、便捷地表征半導體材料的缺陷、雜質以及材料的發光性能。

1、組分測定;對三元系或四元系合金,如InxGa1-xN等,通過PL峰位確定半導體材料的禁帶寬度,進而確定材料組分x;

2、雜質識別;通過光譜中的特征譜線位置,可以識別材料中的雜質元素;

3、雜質濃度測定;

4、變溫Pl可以測試材料/器件的發光效率;

5、半導體材料的少數載流子壽命;

6、位錯等缺陷的相關作用研究。


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