光致发光材料性能测量方法课件

1、发光的相关概念和过程光发光原理光发光材料的一般应用光发光材料的主要特性测量，发光的相关概念和过程，发光是在材料内以某种方式吸收能量后，以热辐射以外的光辐射形式发射多余能量的过程。光致发光是由光激发发光材料引起的发光现象。固体吸收外部能量后转化为热，在任何情况下都不能发光，只有固体有发光中心时才能有效地发光。发光中心通常由杂质离子或晶格缺陷组成。发光中心吸收外部能量，然后从基态刺激到激发态，从激发态回到基态，以发光形式释放能量。发光物质通常以称为基质的纯物质为主体，混合少量杂质，形成发光中心，这少量杂质称为活化剂。活化剂对基质起激活作用，使原来不发光或不发光的基质物质产生强烈发光的杂质。有时活化

2、剂本身就是发光中心，活化剂与周围离子或晶格缺陷一起构成发光中心。为了提高发光效率，还添加了其他称为协同激活剂的杂质，与激活剂一起构成了复杂的激活系统。活化剂原子作为杂质存在于矩阵的晶格中时，与半导体中的杂质一样，在禁区内产生局部能量水平(即杂质水平)。固体发光的两个基本过程刺激这些局部水平之间的转移，并发光。光致发光原理：光度坐标模型CCM，晶体的离子吸收光谱与自由离子不同。自由离子的吸收光谱与发射光谱的能量相同，是窄带光谱或锐线光谱(0.01cm-1)。晶体的离子发射光谱的能量都低于吸收光谱的能量，是宽带光谱。这是因为晶格振动对离子的影响。与发光中心相连接的电子转移可以与矩阵晶体中的原子(离

3、子)交换能量，发光中心离子和周围晶格离子之间的相对位置、振动频率和中心离子的能级受晶体势场的影响。因此，必须将活化剂离子及其周围晶格离子作为整体考虑。相对来说，原子质量比电子大得多，运动也慢得多，所以在电子转移中，可以认为晶体的原子之间的相对位置和运动速度是恒定的(即frank-kanden原理Franke-Condon)。这样，就可以使用所谓的位坐标来说明发光中心的吸收和发射过程。固体物理实验方法，光致发光材料特性测量方法，所谓位置坐标图，在包含电子和离子的势能、相互作用的整个系统的能量的晶体中，以纵坐标表示发光中心的势能；横坐标表示中心离子和周围离子的位置，包括离子之间的相对位置等元素的一

4、般位置概念。通常，也可以用横坐标替换粒子之间的内核间隔。图1是发光中心的基态的位置坐标图。图中，连续曲线表示位置作为发光中心离子核心间距函数的定量变化关系，在平衡距离re中具有很小的值，水平线0，1，2表示粒子在基态中具有的不同量子振动力学。图1发光中心的基态的势能图，图2显示了说明发光的许多特性的基态和激发态的位置图。激活过程包括在更高能量级别b生成活动中心，电子从基态能量级别a转移到此状态。根据弗兰克坎登的原理，这种工艺系统能量基本上垂直上升到a到b，但离子的位置几乎没有变化。但是在此状态下，电子由于离子弛豫(登上王位后改变形状)，能量的一部分以热的形式散射，返回新的激发态能量级c，形成新

5、的活动中心。发光过程是电子从激活中心c返回到原始基态a或d。显然激活过程能量EABECA或ECD。这说明了斯托克位移。图2发光中心的基态和激发态的势能，描述磁石位移的：之一，描述发光“热淬火”效应的：以及任何发光材料在温度上升到一定温度时，亮度大幅降低。这就是所谓的“热固性”效应(Thermal quenching effect)。可以使用图2说明这一现象。在图2中，基态和激发态的势能曲线相交e点。在这个点，激发态的离子回到基态(e是基态势能曲线的一点)，然后通过一系列变化回到基态的低能阶段。因此，e点表示溢出点。激发态的离子获得足够的振动能量，到达e点，超过基态的振动能量准尉。然后所有的能量

6、以振动能量的形式释放，没有发光。很明显，e点的能量很重要。一般来说，温度升高时，离子热增加，依次进入高振动动能等级，就可以达到e点。图2发光中心的基态和激发态的势能，在吸收光后，使离子晶格稍微松弛，平衡位置re只有统计平均值的意义，实际上是很小的一段，因此吸收光谱包含了很多频率(或波长)，形成宽带。这就是固体的离子光谱呈带状的原因。对于上述热淬火现象，这里的离子将振动传递到环境矩阵晶格，失去剩余能量，返回到低能量水平。在这个转变过程中，电磁波，即不发光，所以被称为转移，而不是辐射。这种非辐射转移包括在民活磷光的机制中不发射的能量转移(nonrediative energy transition

7、)的种类。图3显示了这种情况。应用3:非辐射转移说明，图3，非辐射能量转移的必要条件是(a)活化剂和活化剂离子在此状态下具有相似的能量等级；(b)光敏剂和活化剂离子类似于基质的晶体结构。在发光过程中，激活源辐照，将敏感的活性离子转化为激发态，这种活性离子将能量传递回相邻的活性离子。在传递过程中能量损失很少的同时，敏感的活离子返回它的基态，最后激活离子发光返回基态。一些杂质对发光材料起“毒”的作用，光因物质的毒性而被淬火。毒物效果经常作为反应将能量分散到矩阵格中，使活性中心不能发光的民生剂或活化剂中，作为毒物传递的非辐射能量传递方式发挥作用。具有非辐射转移的离子有Fe3，Co2，Ni2等，因此在

8、磷光物质的制造中必须防止这些杂质的存在。应用4:毒物效果，光致发光材料的一般应用，荧光灯等离子电视LED激光夜间照明设施生物荧光标记太阳电池，荧光灯(荧光灯，节能灯)，荧光灯(fluorescent lamp)是充满氩气充电低压汞蒸汽的气体放电灯，低压汞蒸汽放电中的许多波长为255在灯管表面涂上荧光粉，可以将波长为253.7nm的紫外线转换成可见光。根据外形结构，荧光灯可分为直线荧光灯和形状荧光灯两类。根据涂抹的荧光粉，有日光、冷色、兰色荧光灯的区分。节能灯，又称自振荧光灯，自振荧光灯是将荧光灯、镇流器等组装在一起直接访问白炽灯或自振汞灯(汞灯)到标准插头或端口灯头220V的电源。通过镇流器加

9、热灯丝，到1160K温度时，灯丝开始与电子、电子、氩原子、汞原子等相互作用，然后释放紫外线，荧光粉发光。荧光灯用荧光粉的开发，灯用荧光粉的要求是强烈吸收254nm的辐射，有效地转化被它吸收的辐射。20世纪50年代以后，荧光灯使用了卤素磷酸钙，大部分被称为卤素粉。卤粉价格便宜，但发光效率不够高，热稳定性差，光衰减大，光通保持率低，不适合细直径的小型荧光灯。1974年，荷兰的菲利普炮成功地以一定比例将对人类眼睛敏感的红、绿、蓝三色光的荧光粉氧化钇、铝酸镁、铝酸钡等稀土元素三原色荧光粉配方。这意味着发光效率很高，大约是白炽灯的5倍，色温为2500K-6500K，用作荧光灯的原料，大大节约了能源。我们

10、现在更多地使用以低压汞蒸汽发射的254nm紫外线作为这里光源的荧光灯。这种荧光物质由于技术成熟，量子效率接近100%，能量转换效率接近50%。但是水银有毒性，很容易对环境和人们的健康造成危害。为了保护环境，新出现的无水荧光代替汞蒸汽发生荧光粉，使用惰性气体放电发光，主要使用惰性气体中能量转换效率最高的Xe气体。LED、白色LED的生产方式，红色、绿色、蓝色三色LED的生产成本最高，因为三种颜色的LED量子效率不同，温度和驱动电流的变化不一致，所以随着时间的变化衰减速度不同，红色、绿色、蓝色LED的衰减速度依次增加。因此，为了保持颜色稳定，将反馈电路分别添加到三种颜色中，从而使电路复杂，并可能导

11、致效率损失。可以被蓝光LED有效地刺激的黄色荧光粉这个方案是蓝光LED芯片和蓝光有效地刺激的黄色荧光粉的组合。在这里，蓝光LED的一些蓝光被荧光粉吸收，荧光粉发射黄色光，其馀蓝光与黄光混合，调节其强度比，可以在各种室温下获得白光。这种组合方式的优点是，大多数白色LED是通过制造当前最常用的白色LED来制造的，其制作简单，所有白色LED组合的方式成本低，效率高。其原理是，紫外线LED能有效地被紫外线LED刺激的荧光粉，利用高亮度紫外线LED泵浦红、绿、蓝三色荧光粉，产生红、绿、蓝三色原色，调整三色荧光粉的比例，产生白光。因为紫外线光子的能量高于青色，可刺激荧光粉的选择性提高，所以大多数荧光粉的效

12、率随着这里光源波长的减少而增加。特别是红色荧光粉。此封装方式和蓝光LED与黄色荧光粉的组合成本相同，但是所有白光都来自荧光粉本身，紫外线本身不参与混合光，因此颜色比蓝光LED更容易控制，颜色均匀性更好。但相对低的效率，固体激光，激光(Laser)是英语“light amplifation by stimulated emission of radiation”(用光散射放大器表示)的缩写。激光发出的光是激光。激光束可用于加工高熔点材料，可用于医学、精密测量、距离测量、全息检测、作物育种、同位素分离、催化剂、信息处理、核聚变启动、大气污染监测和基础科学研究等多个方面的发展。激光也可以按工作物质分

13、为固体激光、气体激光、液体染料激光。可见激光工作物质对激光开发起着决定性的作用。固体激光晶体的研究和开发是固体化学的重要领域。激光晶体激活和发光过程：激活过程将激活中心注入此状态称为激励。这个激活中心有合理的使用寿命。也就是说，这些激活中心在刺激后必须立即释放能量，激励“全局”，而不是返回基态。因此，此处的状态比基底状态具有更多的激活中心。发光时，一个激活中心发出的光刺激另一个激活中心，使辐射在整个上进行，从而形成一致辐射的强光束或脉冲。，在红宝石晶体上发出强烈的可见光时，Cr3离子的d电子在基态4A2下在高激发态4F1，4F2能级上激发。这种能级电子通过非散射过程很快返回到稍低的能级2E。2

14、E激发态能级的寿命很长，约为510-3秒。也就是说，有足够的时间将这种刺激一般化。在能量级2E返回基态时，将产生激光。在这种转换过程中，晶体中的很多离子相互激励和崩溃，产生强波长为693nm的相干红色脉冲。等离子电视(PDP)，所谓等离子体，负电荷共存，处于电中性放电气体状态。等离子显示面板是液晶显示器的一种，利用气体放电向发光荧光粉发光，实现彩色显示。等离子电视屏幕通常由两个玻璃基板、导电电极、介质层等组成，在PDP中放置数百万个真空放电单元，关闭放电气体(通常是由氖和氙Xe或氦He和Xe组成的混合惰性气体)，向放电单元施加电压，放电单元发生气体放电，产生等离子体。气体等离子放电产生147n

15、m、130nm和172nm的真空紫外线，真空紫外线刺激涂有三原色荧光粉的荧光屏幕，荧光膜发出的光呈红色、绿色、蓝色三原色。如果每个颜色单位实现256级灰色，然后抖动，则实现颜色显示。PDP的优点包括厚度薄、重量轻、平面大、视角大、响应快、磁场小。等离子电视用荧光粉、真空紫外线吸收的高效选择、能量传递效率高的矩阵光栅等是PDP用荧光粉的核心。目前，商业PDP的三色荧光粉分别是(y，GD)波3: eu 3、Zn2SiO4:Mn2和bam gal 10 o 173360 eu 2。BAM、ZSM和YGB在室温下147nm激发的发射光谱、量子剪切、无水荧光灯和等离子平板电视中Xe放电主要释放147nm

16、和172nm真空紫外线，即使荧光粉的量子效率达到100%，对激发能量的转换效率也为30%这个概念称为VUV产生的“量子剪切”，也称为能量的“向下转换”。基于“离子对”的量子裁剪系统、量子裁剪概念图、图a表明，作为一个稀土离子内的量子裁剪，在一个稀土离子内很难发射两个看得见的光子。图b、c、d显示了两种稀土离子参与量子裁剪过程的三种可能性。在图b中，吸收这里能量的离子I通过交叉弛豫将能量传递给最近邻居的离子II，II释放第一个可见的光子，离子I的剩余能量释放第二个离子II可见的光子。在图c中，离子I通过交叉缓和过程传送能量，向附近的离子II发射第一个可见光子，然后直接发射第二个可见光子。图d是先发射显示离子I的光子，然后将剩馀能量传递给离子II，发射显示的第二个光子。基于Pr3的量子裁剪系统，Pr3的光子级联发射能量准尉图，夜光设施(长余辉材料)，所谓长余辉发光是指发光材料在此停止后不会立即消失，而是持续很长时间(数秒到数十个小时)的发光现象。这种物质在吸收可见光或紫外线时储存能量，然后用存储的能量慢慢释放，成为长余辉。此材质在照明不足的地方、漆黑的夜晚或突然照明关闭的情况下起到紧急显示、安全照明的作用。没有放射性，安全，稳定，结构不稳定。一般认