发光学概述与应用

发光学概述与应用

摘要：各种能量转换为光能的过程主要有两种：其一是热辐射；其二是发光。而它

们都需要中间的媒介。发光体汲取能量后，经过一系列的中间过程，才能达到激发

态。高能量的激发不能直接引起发光，而是先经过其他过程，消耗掉部分能量，待

能量接近发光要求的能量范围后才引起发光。

正文：

1.1发光的定义

当某种物质受到光的照耀、外加电场或电子束轰击等的激发后，只要该物质不

会因此而发生化学变化，它总要回复到以前的平衡状态。在这个过程中，一部

分多余的能量会通过光或热的形式释放出来。概括的说，发光就是物质在热辐

射之外以光的形式放射出多余的能量，而这种多余的能量的放射过程具有肯定

的持续时间。

发光现象的两个主要特征是：任何物体在肯定的温度下都有热辐射，发光是物

体汲取外来能量后所发出的总辐射中超出热辐射的部分；当外界激发源对物体

的作用停止后，发光现象还会持续一段时间，称为余辉。

发光现象的第一个特征强调的是：发光是物体热辐射之外的一种“过度的”辐

射，这种辐射的持续时间要超过光的振动周期。

也有按发光持续时间的长短把发光分为两个过程：把物质在受激发时的发光称

为荧光，而把激发停止后的发光称为磷光。

1.2发光的分类

不同发光类型的发光原理大致可分为如下几种：

（1）光致发光：以外界光源作为激发能量的来源，主要通过紫外光、可见光或者

红外光激发而产生的发光现象.光致发光是发光现象中讨论最多、应用最广的

发光类型.发光材料首先将汲取的能量传递给激活剂.激活剂电子受激发后从

基态向不同能级之间发生跃迁再返回基态，多余的能量以光的形式放射，同

时伴随有部分非发光跃迁，以热的形式放射.

（2）电致发光：以电能作为激发能量的来源.依据发光材料的不同，电致发光可以

分为本征型电致发光和半导体型电致发光.本征型电致发光通过电场的加速

作用使电子获得足够的能量，最终碰撞电离或激发发光中心而导致复合发光.

半导体型电致发光则通过将电子（空穴）注入到p（n）型材料区后，电子以直

接或间接的途径与多数载流子复合而产生发光现象

（3）阴极射线发光：以高能电子束作为激发能量的来源.高能电子入射发光物质后，

将能量传递给原子中原有电子使其获得很高的动能而成为高速的次级放射电

子，次级放射电子最终将能量传递给发光物质而引起发光.此外，还有由机

械压力引起的摩擦发光，以及在生物过程中产生的能量被发光体所捕获而导

致的生物发光现象等.除以上类型的发光方式，还有组合型发光.以电致化学发

光为例，电致叱学发光是化学发光与电化学相结合的产物，指通过施加肯

定的电压引起电化学反应，在电极表面产生某种新物质，电生物质之间或电

生物质与其他物质进一步反应，经过高能电子转移，使电子跃迁至激发态，

再返回基态时的发光现象c

（4）此外，还有化学发光、生物发光等。

1.3发光学的应用

在实际应用中，将受外界激发而发光的固体称为发光材料。它们可以晶体，

非晶，纳米晶，薄膜等形态使用，主要组分是稀土金属的化合物和半导体材

料，与有色金属关系很亲密。在高激发密度下，很多物质能产生发光，但并

不是这些能发光的物质都成为发光材料。通常人们所说的发光材料基本上指

该种材料主要用于发光方面的应用，或者是在某种场合下主要作为发光材料

应用。

发光材料一把某种形式的激发能量转化为发光能，因此对于一个有效的发光

材料应具备如下的要求：

1.能够有效地汲取激发能量；

2.能够把汲取的激发能量有效的传递给发九中心；

3.发光中心具有高的辐射跃迁效率。

发光材料的构成主要有以下三种形式：

1.由多晶或单晶形态的基质材料和激活剂（发光中心）组成，也可能加入起

到能量传递作用的敏化剂；

2.只有基质材料，采用某种本征缺陷作为发光中心；

3.只有基质材料，采用本征激子态或带边电子态产生发光。

基质：某种绝缘体或半导体材料，形成基本的能带结构。对于激发能量

的汲取起到主要作用。

激活剂：掺杂进入机制的某种离子或基团，通常是高效的发光中心，例

如稀土离子，过渡族金属离子等。激活剂可以在基质形成的能带结构的禁带

中形成鼓舞的能级系统，通过这些能级产生发光所需的基态和激发态。

敏化剂：掺杂进入机制的某种离子，起到能量传递作用。某能量从汲取

处传递到发光中心。发光材料的种类很多。

按材料的性质来说，可以分为有机发光材料和无机发光材料。常见的有

机发光材料又可以依据结构的不同分为有机小分子发光材料、有机高分子发

光材料和有机协作物发光材料三种。

按发光性能来说，可以分为光致发光材料、电致发光材料、射线致发光

材料、等离子体发光材料和化学发光材料。其中电致发光材料乂分为无极电

致发光材料和有机/高分子电致发光材料。

无机荧光材料的代表为稀土离子发光及稀土荧光材料，其优点是汲取力

量强，转换率高，稀土协作物中心离子的窄带放射有利于全色显示，且物理

化学性质稳定。由于稀土离子具有丰富的能级和4f电子跃迁特性，是稀土成

为发光宝库，为高科技领域特殊是信息通讯领域供应了性能优越的发光材料。

与无机发光材料相比，有机发光材料具有很多不行比拟的优越性，主要

表现在下述三个方面：工.有机材料可以获得在可见光谱范围内的金色发光，

特殊是无机材料难以获得的蓝光。2.可以直接用十几伏甚至几伏的直流低压

驱动，可以与集成电路直接匹配。3.有机电致发光器件的制作工艺简洁，可

以低成本制成超薄平板显示器件，因此易于产业化。

有机荧九材料在工业、农业、医学、国防等领域都有广泛应用，可以用

作荧光增白剂、荧光染料、荧光颜料、荧光试剂、激光染料，用于荧光分析、

跟踪检测、交通标志、核技术中的闪耀体、太阳能转换技术中的荧光集光器

等。

而光致发光材料的应用更为普遍。光致发光粉是制作发光油墨、发光涂

料、发光塑料、发光印花浆的抱负材料。发光油墨不但适用于网印各种发光

效果的图案文字，如标牌、玩具、字画、玻璃画、不干胶等，而且因其具有

透亮度高、成膜性好、涂层薄等特点，可在各类浮雕、园雕（佛

像、瓷像、石膏像、唐三彩）、高分子画、灯饰等工艺品上喷涂或网印，在不

影响其原有的饰彩或线条的前提下大大提高其附加值。发光油墨的颜色有：

透亮、红、蓝、绿、黄等。

光致发光材料

随着光致发光材料的