稀土发光材料-2分解.ppt

提纲 镧系元素的光谱项彩色光的三基色原理发光材料的发光性能参数稀土发光材料的光致发光应用 1 2 1 镧系元素的光谱项 基态光谱项 光谱项是通过角量子数l 磁量子数m以及它们之间的不同组合 当电子依次填入4f亚层的不同m值的轨道时 组成了镧系基态的总轨道量子数L 总自旋量子数S和总角动量子数J 3 4f电子数 74f电子数 7 光谱项2S 1LJ是由这3个量子数组成的表达式 L的数值以大写英文字母表示 对应关系为 字母SPDFGHIKLL012345678左上角2S 1的数值表示光谱项的多重性 2S 1L称作光谱项 J的取值写在右下方 表示光谱支项 即2S 1LJ J的取值分别为 L S L S 1 L S 2 L S 每一支项相当于一定的状态或能级 4 5 Tb3 4f8 3 2 10 1 2 3 2个自旋相反 6个自旋平行的未成对电子 2S 1 7 Tb3 的基态光谱项为 7F6 Tb3 共有7个光谱支项 按能级高低 依次为7F6 7F5 7F4 7F3 7F2 7F1 7F0 6 Eu3 4f6Nd3 4f3 7 8 9 牛顿 人眼对彩色光产生亮度和颜色的感觉是一种主观感觉 而不是客观世界的属性 杨格 英国物理学家 在人的视网膜中可能存在3种分别对红 绿 蓝色光敏感的感光细胞 由它们感受的混合光刺激产生各种颜色的感觉 赫姆霍兹 创立了三基色原理 2 彩色光的三基色原理 产生 10 彩色光基本属性的3个参量 1 亮度 luminance 又称明度 是人眼感觉彩色光的明亮程度 它是指与所观察物体明亮程度相对于的视觉特性 亮度感觉是人眼重要的视觉功能 光源色的亮度反映的是光的强弱 光越强 亮度越高 反之亦然 2 色调 colortone 又称色相 用于表征颜色 色调反映颜色的类别 例如红 绿 蓝就指的是色调 可见光有无数种 即光谱色有无数种 所以也可以认为颜色的色调有无数种 然而 实际上很难用肉眼区分相近波长的单色光的颜色差别 文字所描述不同的颜色 通常是把各种光谱色归纳成有限的几种色调 如红 橙 黄 绿 青 蓝 紫等 不同波长的可见光呈现出不同的颜色 人眼对不同颜色 及不同波长的光的灵敏度也不相同 色调是彩色光最重要的属性 照明光源和显示器件的色调取决于光源辐射的光谱成分 而物体的色调则是由照明光源的光谱成分和物体表面的光谱反射 或光谱透射 特性的综合效果来决定 3 色饱和度 Saturation 色饱和度是指彩色光呈现彩色的深浅程度 或浓度 同一色调的光 色饱和度越高说明它的颜色越深 色饱和度又体现彩色的纯洁程度 它可以反映彩色光波长范围的大小 波长范围越窄 说明颜色越纯 饱和度越高 显然 光谱的单色光最纯 色饱和度最高 为100 而白光中没有哪种色调特别突出 色纯度最低 为零 色饱和度是彩色光颜色纯度的人眼的主观评价 色纯度高的彩色 看起来饱和度也高 色纯度和色饱和度之间虽然有密切的对于关系 但都是主体对客体的复杂反映 不能直接等同 色调和色饱和度统称为色度 它即说明彩色光的颜色 又说明颜色的深浅 两者要达到一定的差别才能被感知 亮度给人以光的强弱的感觉 色调和饱和度则产生的是性质差异的感觉 各种颜色都可以用以上3个基本属性来表征 只是彩色系列具有完整的3个属性 而黑白系列只有亮度 无色调 色饱和度为零 15 三基色原理 将适当选择的三种基色 如红R 绿G 蓝B 按不同比例合成 可引起不同的彩色感觉 合成的彩色光的亮度决定于三基色亮度之和 其色度决定于三基色成分的比例 三种基色彼此独立 任一种基色不能由其他两种基色配出 两组光谱成分不同的光若使人眼对它们的综合感觉相同 则主观彩色感觉 包括亮度和色度 就相同 色觉实验研究证明 自然界中几乎所有彩色都可以由三基色组成 V r 人眼视觉函数曲线R G B 人眼对红 绿 蓝色光的响应曲线 三条曲线相互交错 若某一波长的光处于两条或三条曲线之下 它可同时刺激人眼的两者或三种光敏细胞 大脑即产生几种刺激之和的颜色感觉 16 17 稀土三基色荧光灯 1977年获得美国重大技术发明奖 发蓝光 峰值450nm 的铕激活的多铝酸钡镁 BaMg2Al16O27 Eu2 发绿光 峰值543nm 的铈 铽激活的多铝酸镁 MgAl11O19 Ce3 Tb3 发红光 峰值611nm 的铕激活的氧化钇 Y2O3 Eu3 18 三种成分按一定比例混合 可以制成色温为2500 6500K的任意颜色要求的荧光灯 光效达80lm w以上 平均显色指数达85 附 光源的色温是通过对比它的色彩和理论的热黑体辐射体来确定的 热黑体辐射体与光源的色彩相匹配时的开尔文温度就是那个光源的色温 它直接和普朗克黑体辐射定律相联系 色温是表示光源光谱质量最通用的指标 一些常用光源的色温为 标准烛光为1930K 开尔文温度单位 钨丝灯为2760 2900K 荧光灯为3000K 闪光灯为3800K 中午阳光为5600K 电子闪光灯为6000K 蓝天为12000 18000K 三基色原理对于彩色广播电视的意义尤为重要 它使彩色图像的传播大为简化 只需传三种基本信号 就可以得到变化万千 五彩缤纷的图像 摄得的光 分解 红 绿 蓝光信号 光电转换处理 电视信号 恢复 三基色重现发送端的色彩 19 在照明与显示技术中 对颜色效果的要求越来越高 只用语言无法准确描述颜色 更不能说明相近颜色之间的细微差异 根据人的视觉特征用数字定量地表示颜色 并用物理方法代替人眼来测量颜色 即CIE色度图 应用最广泛的是1931 CIE标准色度系统 国际照明协会 CIE 规定三基色红 绿 蓝的标称波长分别为R 700nm G 546 1nm B 435 8nm 其中 700nm是可见光区红色的末端 546 1和435 8nm是汞蒸气放电的两条谱线 色度图 20 1931 CIE标准色度图 21 1931 CIE标准色度图 舌形曲线为单色光谱的轨迹 曲线上每一点代表某一波长的单色光 曲线所包围的区域内的每一点代表一种复合光 即代表一种特定的颜色 特点 自然界中的每一种颜色在色度图中都有其相应的位置 色度图上每一点 x y 都代表一种确定的颜色 越靠近光谱轨迹 颜色越纯 即颜色越正 饱和度越好 22 1 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 3 稀土发光材料的发光性能参数 23 24 2 发光效率 光效 材料吸收激发能量后将其中百分之多少的能量转变成光 即发光能量与吸收能量之比称为发光效率 分为能量效率和量子效率 A 量子效率发光材料发射的量子数N发光与激发时所吸收的量子数N吸收的比值称为量子效率 量 量 N发光 N吸收 25 量子效率不能反映发光材料在被激发和发光过程中的能量损失 如用354nm光激发某一发光材料时产生550nm绿色发光 其量子效率可高达90 以上 但激发能量却相应损失50 以上 为此还要引入能量效率 26 B 能量效率发光材料的发光能量E发光与吸收能量E吸收之比称为能量效率 能 能 E发光 E吸收复合型发光材料是通过基质吸收了激发能量 形成电子和空穴 它们沿晶格移动时 可能被陷阱捕获 以及空穴和电子的 无辐射复合 会消耗能量 使能量效率下降 特征型发光材料是发光中心直接吸收能量 发光效率最高 27 3 发光强度一定面积的发光表面沿法线方向所产生的光强叫发光强度 用I表示在实际生产或应用中 通常用相对强度来表示发光强度 待测发光材料的发光强度与同样激发条件下测出的作为标准材料强度的比值 就是待测发光材料的相对发光强度 28 4 吸收光谱反映了光照射到发光材料上 其激发光波长和材料所吸收能量值的关系 激发光照射发光材料时 一部分光波被反射和散射 一部分光透射 余下的光才被材料所吸收 K 吸收 1 K 反射 29 分立中心的发光衰减比较简单 在激发停止后 发光的强度正比于激发的发光中心的数目 I t I0e atI是t时刻的瞬态发光强度 t是时间 a是常数 30 5 激发光谱excitationspectra在发光材料的发光光谱中 某一谱带或谱线的发光强度随激发光波长改变而变化的曲线被称为激发光谱 它反映了发光材料所吸收的激发光波长中 哪些波长的光对材料的发光更有效 这为确定哪些波段范围内的激发光对材料的发光提供了更有效的直接依据 31 32 33 6 发射光谱emissionspectra受到激发后 最外层的电子得到能量 可以跃迁到一个更高的能量状态 称为激发态 这些能量状态是分立的 激发态是不稳定的 被送到这个激发态的电子可以耗散部分能量 到达另一个激发态 但最终要跃迁回稳定的基态 发射光谱是指发光强度随波长或能量的分布曲线 它类似人的指纹 是发光材料独具的特征 34 35 材料的发光光谱属于哪一类 这既与基质有关 又与杂质有关 宽带 半宽度约100nm CaWO4窄带 半宽度约50nm Sr PO4 Cl Eu3 线谱 半宽度约0 1nm GdVO4 Eu3 随着基质的改变 发光的颜色也可改变 36 37 38 结论 39 40 41 F 4600荧光分光光度计 42 7 发光衰减发光材料在紫外光激发停止后 仍可持续发光 但发光强度逐渐减弱 直至完全消失 这一过程就是发光衰减 由于激发后 电子要在激发态中进行调整 从到达激发态到跃迁回基态时的这段时间里 还有其他过程参与竞争 对不同的发光材料 发光期间各不相同 它是发光的另一个重要特征 43 特征性发光材料的衰减速度与激发光强度及温度无关 按指数顾虑衰减的发光材料