发光材料与器件基础_第三章课件

1、发光材料与器件基础西安邮电学院电信系光电工程专业7/16/20221电信系光电工程专业第三章 光致发光过程及机理3.1 光致发光过程当外部光源如紫外光、可见光甚至激光照射到光致发光材料时，发光材料就会发射出如可见光、紫外光等，实际上光致发光材料的发光过程比较复杂，一般可以分为能量的吸收，辐射能量回到基态，能量传递等过程，即：（1） 基质晶格或激活剂（或称发光中心）吸收激活能。（2） 基质晶格将吸收的激发能传递给激活剂。（3）被激活的激活剂发出荧光而返回基态，同时伴随有部分 非发光跃迁，能量以热的形式散发。 7/16/20222电信系光电工程专业3.1 光致发光过程A激发发射非发光跃迁荧光粉的光

2、致发光过程 A 激活剂SA能量传递激发发射能量从敏化剂向激活剂传递的发光过程 A 激活剂；S 敏化剂7/16/20223电信系光电工程专业3.2 位形坐标模型位形坐标模型位形坐标： 电子与晶格振动的总能量与离子平均位置的关系，采用简谐近似模型 电子与声子的相互作用 电子与声子的相互作用能，即晶格弛豫能为 晶格弛豫能所折合的声子数为 (黄昆因子)位形坐标模型与吸收和光发射过程示意图Ug(R)：电子处于基态时的系统能量Ue(R)：电子处于激发态时的系统能量UUg(R)Ue(R)RR0r0ABCDFEv1u0v0u1R可表示电子与声子作用的强弱7/16/20224电信系光电工程专业弗兰克-康登(Fr

3、anck-Condon)原理Ug(R)：电子处于基态时的系统能量Ue(R)：电子处于激发态时的系统能量UUg(R)Ue(R)RR0r0ABCDFEv1u0v0u1R0A: 光吸收过程；AB: 晶格弛豫过程， B的位置与晶格温度有关BC: 光子发射过程；CR0: 晶格弛豫过程；光吸收与光发射的Stokes频移 从激发到发射，电子经历两次与离子晶格的作用，发射声子散失能量，结果产生Stokes频移。 由于跃迁时间晶格弛豫时间，电子竖直跃迁3.2 位形坐标模型7/16/20225电信系光电工程专业吸收光与发射光的谱线增宽Ug(R)：电子处于基态时的系统能量Ue(R)：电子处于激发态时的系统能量Ue(

4、R)UUg(R)RR0r0ABCDFEv1u0v0u1吸收发射振动能级的基态与激发态的波函数Rv=0v=nUR03.2 位形坐标模型7/16/20226电信系光电工程专业发射光谱的线型Ug(R)：电子处于基态时的系统能量Ue(R)：电子处于激发态时的系统能量UUg(R)Ue(R)RR0r0 rABCDFEv1u0v0u1r0、0：BC过程的发光频率 r 、 ：DE过程的发光频率 则发射光谱的半宽与激发态离子的位形差（CEF）另，B、D点振子出现的几率为发光强度高斯分布3.2 位形坐标模型7/16/20227电信系光电工程专业吸收与发射光谱的温度关系温度对吸收谱的影响：温度升高，体系处于基态中较

5、高振动能级u结果：谱线进一步加宽； 谱线红移UUg(R)RR0r0ABCDFEv1u0v0u1Ug(R)：电子处于基态时的系统能量Ue(R)：电子处于激发态时的系统能量温度对发射谱的影响：温度升高，体系处于激发态中较高振动能级v结果：谱线进一步加宽； 谱线红移 强度减弱?另与实验结果一致！3.2 位形坐标模型7/16/20228电信系光电工程专业发射光谱的温度猝灭Ug(R)：电子处于基态时的系统能量Ue(R)：电子处于激发态时的系统能量UUg(R)Ue(R)RR0r0ABCDFEv1u0v0u1v=v 若温度升高，使体系处于激发态中振动能级v以上，激发态电子可无辐射地到达基态，再经晶格驰豫回到

6、基态的平衡位置。IE温度猝灭的几率E：猝灭激活能发光强度与温度的关系其中：I0-低温下的饱和发光强度 vR-辐射复合几率3.2 位形坐标模型7/16/20229电信系光电工程专业3.3 发光的能带理论 晶体材料呈现一定规律的周期性，内部原子存在较强的相互作用，导致原子能级的变化，许多相近能级构成能带。某些无机物所以具有发光性能是与合成过程化合物（发光材料基质）晶格里产生的结构缺陷和杂质缺陷有关，这些缺陷局部地破坏了晶体内部的规则排列，从而形成缺陷能级。当外界光源照射时，电子就会在各种能级间跃迁，从而产生发光现象。（1）由于发光材料基质的热歧化作用出现的结构缺陷所引起的发光叫非激活发光，这种发光

7、不需要掺加激活杂质。（2）在高温下向基质晶格中掺入另一种元素的离子或原子时会出现杂质缺陷，由这种缺陷引起的发光叫激活发光，而激活杂质叫做激活剂。 7/16/202210电信系光电工程专业 紫外光能量可以直接被发光材料的发光中心吸收（激活剂或杂质吸收），也可以被发光材料的基质所吸收（本征吸收）。第一种情况下，吸收或伴有激活剂的电子壳层内的电子向较高能级的跃迁，或电子与激活剂完全脱离及激活剂跃迁到离化态（形成“空穴”）；第二种情况下，基质吸收能量时，在基质中形成空穴和电子，空穴可能沿着晶格移动，并被束缚在各个发光中心上。 辐射是由于电子返回较低能态或电子与空穴复合所致。某些材料的发光只与发光中心的电子跃迁有关，这种发光材料叫做“特征型”发光材料，过渡元素和稀土金属离子都是这种发光材料的激活剂。3.3 发光的能带理论7/16/202211电信系光电工程专业3.3 发光的能带理论价 带导 带1234567A1A2A3半导体型发光材料的能带图A1 基态A2 激发态A3 缺陷态7/16/202212电信系光电工程专业3.