第一章基本概念课件.ppt

1、350400450500550ex=320 nm Intensity(a.u.)Wavelenth(nm)激发态光基态吸收辐射能量*MhM有机物吸收光谱有机物吸收光谱吸收光谱n吸收光谱是吸收系数a(v)随频率或波长的变化情况。a(v)是下列公式中的主要参数：这里I0(v)和)和I(v)分别是入射光强和透射光强，l是样品的厚度。在这里，我们忽略了反射的损失。入射光在样品的表面会有一部分被反射掉，在它从样品的另一个表面出射前，又会再一次被反射。在进行测量时，这些都是绝不可忽视的。对于溶液，通常用空白溶剂作对比，就可以消除反射的影响。n发光材料的吸收光谱形状，也和发射光谱相似，有的是带谱，有的是线谱

2、。n在溶液中发光分子的吸收光谱和发射光谱常常是对称的（以光频率为横轴），因为这时吸收和发射都在同一个分子发生。但是在固体中，这两种光谱则不存在这样的关系，因为吸收的物质可能是基质，而发射的主体则是离子或离子团，两者的能谱可以完全没有直接的关系。n对于光的吸收大小，除了吸收系数a(v)，还有许多不同的表示方法，会在不同的场合遇到。现列在下面：1.金属离子金属离子d-d 配位场跃迁和配位场跃迁和 f f 配位场配位场跃迁跃迁 在配体的作用下过渡金属离子的d轨道和镧系、锕系的f轨道裂分，吸收辐射后，产生d一一d、f 一一f 跃迁；必须在配体的配位场作用下才可能产生也称配位场跃迁配位场跃迁；摩尔吸收系

3、数很小，对定量分析意义不大。2.2.金属离子影响下的配位体跃迁和金属离子影响下的配位体跃迁和 *跃迁跃迁 金属离子的微扰，将引起配位体吸收波长和强度的变化。变化与成键性质有关，若共价键和配位键结合，则变化非常明显。对于大多数荧光物质，首先经历对于大多数荧光物质，首先经历或或 激发，激发，然后经过振动弛豫或其他无辐射跃迁，再发生然后经过振动弛豫或其他无辐射跃迁，再发生或或n跃迁而得到荧光。在这两种跃迁类型中，跃迁而得到荧光。在这两种跃迁类型中，跃迁常能发出较强的荧光。这是由于跃迁常能发出较强的荧光。这是由于跃迁具有较跃迁具有较大的摩尔吸光系数。大的摩尔吸光系数。n 其次，其次，跃迁的寿命约为跃迁

4、的寿命约为10-710-9s，比比 跃跃迁的寿命迁的寿命10-510-7s要短。在各种跃迁过程的竞争中，要短。在各种跃迁过程的竞争中，它是有利于发射荧光的。此外，在它是有利于发射荧光的。此外，在跃迁过程中，跃迁过程中，通过系间窜跃至三重态的速率常数也较小，这也有利于通过系间窜跃至三重态的速率常数也较小，这也有利于荧光的发射。荧光的发射。n 总之，总之，跃迁是产生荧光的主要跃迁类型。跃迁是产生荧光的主要跃迁类型。*跃迁跃迁 电荷转移跃迁：电荷转移跃迁：辐射下，分子中原定域在金属M轨道上的电荷转移到配位体L的轨道，或按相反方向转移，所产生的吸收光谱称为荷移光谱荷移光谱。Mn+Lb-M(n-1)+L

5、(b-1)-hFe3+CNS-2+hFe2+CNS2+电子给予体电子接受体分子内氧化还原反应分子内氧化还原反应；104Fe2+与邻菲罗啉配合物的紫外吸收光谱属于此。敏化剂（敏化剂（sensitizer）那些能够明显增强发光强度的另加杂质那些能够明显增强发光强度的另加杂质助熔剂（助熔剂（flux）有时除基质和激活剂之外，还需加一种熔点较低的物质有时除基质和激活剂之外，还需加一种熔点较低的物质可以降低灼烧的温度，使基质容易结晶并可以帮可以降低灼烧的温度，使基质容易结晶并可以帮助激活剂进入基质的晶格中助激活剂进入基质的晶格中基质（基质（host）材料的主要成分，也就是它的主体，在发光学的术语中，材料

6、的主要成分，也就是它的主体，在发光学的术语中，称为基质（称为基质（host）。）。共激活剂（共激活剂（co-activator）掺杂某种起改善或改变发光性能作用的物质掺杂某种起改善或改变发光性能作用的物质 1.1.3 发光材料的型态发光材料的型态发光材料的型态有以下三种：发光材料的型态有以下三种：1.粉末粉末2.薄膜薄膜3.单晶单晶粉末（荧光粉）粉末（荧光粉）荧光粉是无机材料。一般用高温固相法制备。温度在1000到1500的范围。为了生产上节约能源，降低温度是很重要的，所以通常都尽可能使用1300以下的温度或更低一些。经过灼烧，虽然从外表看荧光粉仍是极细的粉末，在显微镜下则是一些微小的晶体，其

7、尺寸在几微米到十几微米不等。灼烧后所得到的材料，常常还需要经过后处理，如水洗、研磨、退火、包膜等，才能使用。2.薄膜薄膜薄膜的制备方法有两大类：外延方法和真空法。薄膜的制备方法有两大类：外延方法和真空法。（1）单晶薄膜：外延方法）单晶薄膜：外延方法（2）其它薄膜：真空法）其它薄膜：真空法 真空法：等离子体溅射、电子束蒸发和热蒸发真空法：等离子体溅射、电子束蒸发和热蒸发 等离子体溅射等离子体溅射：是在不太低的真空中产生真空放：是在不太低的真空中产生真空放电，形成等离子体，其中的离子轰击原料做成的电，形成等离子体，其中的离子轰击原料做成的靶面，将表面的原子溅射到选定的衬底上。靶面，将表面的原子溅射

8、到选定的衬底上。电子束蒸发：电子束蒸发：是将电子束聚焦在待蒸样品上，产生的热使样品蒸是将电子束聚焦在待蒸样品上，产生的热使样品蒸发，和加热蒸发实质上是相同的。但它可以在很小的区发，和加热蒸发实质上是相同的。但它可以在很小的区域内很快地达到很高的温度，这有时是很必要的。蒸发域内很快地达到很高的温度，这有时是很必要的。蒸发温度高低则可由电子束电流的密度加以控制。另外，对温度高低则可由电子束电流的密度加以控制。另外，对于高分子材料，则可以采取摔胶的方法。这就是用适当于高分子材料，则可以采取摔胶的方法。这就是用适当溶剂将高分子材料溶解，把少量溶液滴在旋转的圆盘上，溶剂将高分子材料溶解，把少量溶液滴在旋

9、转的圆盘上，使溶液向四面散开。待溶剂挥发后，即可得厚薄均匀的使溶液向四面散开。待溶剂挥发后，即可得厚薄均匀的薄膜。这种方法最简便，成本也低。但并不是什么材料薄膜。这种方法最简便，成本也低。但并不是什么材料都可以采用。都可以采用。发光单晶薄膜的新技术发光单晶薄膜的新技术1.金属有机化合物气相沉积（metal-organic chemical vapor deposition MOCVD）MOCVD是让两种作为原料的金属有机化合物由是让两种作为原料的金属有机化合物由氢气带入一个反应室中，加热时化合物分解。两氢气带入一个反应室中，加热时化合物分解。两种金属相互作用，在一个衬底上外延生长所需的种金属相

10、互作用，在一个衬底上外延生长所需的单晶薄膜。这个外延办法是结构可控的，因此可单晶薄膜。这个外延办法是结构可控的，因此可以生长均匀的、厚度只有几层原子的薄膜。以生长均匀的、厚度只有几层原子的薄膜。分子束外延分子束外延(molecuular beam epitaxy,MBE）MBE技术是一种极高真空的设备，真空度达到109或更高。生长膜的衬底处在球心，可以加热、旋转。蒸发源分布在球面的一个弧线上，可以有许多个，每一个都可以将蒸发物，准确地聚焦到衬底上。蒸发速度可以非常慢，这样就可以完全控制膜的成分以至杂质的分布。薄膜可以是一层一层的原子叠起来的，厚度在10nm以下，结晶面的方向是选定的，在真空室中

11、还有质谱仪、电子衍射仪、Auger谱仪等等，可以实时监控生长过程、薄膜的结构、检测真空室气体中的杂质。杂质在膜中的分布也可控。总之，这是一种极其先进的设备，但是价格昂贵，只能做研究样品，不可能作生产商品之用。发光材料的颜色发光材料的颜色：发光材料有彼此不同的颜色。发光材料的颜色可发光材料有彼此不同的颜色。发光材料的颜色可通过不同方法来表征。通过不同方法来表征。发射光谱和吸收光谱是研究中应用比较多的方法。发射光谱和吸收光谱是研究中应用比较多的方法。吸收光谱是材料激发时所对应的光谱，相应吸收峰的波吸收光谱是材料激发时所对应的光谱，相应吸收峰的波长就是激发时能量对应波长，如图长就是激发时能量对应波长

12、，如图A所示所示ZnS:Cu 的吸收的吸收谱带。发射光谱反映发光材料辐射光的情况，对应谱峰谱带。发射光谱反映发光材料辐射光的情况，对应谱峰的波长就是发光的颜色，一般说来其波长大于吸收光的波长就是发光的颜色，一般说来其波长大于吸收光谱的波长，如图谱的波长，如图B所示，所示，1图为图为Zn2SiO4：Mn的发射光谱，的发射光谱，图图2为其吸收光谱为其吸收光谱。图A 光致发光材料的吸收光谱图B 发光材料的发射光谱和吸收光谱 颜色的单色性颜色的单色性 从材料的发射光谱来看，发射谱峰的宽窄也是从材料的发射光谱来看，发射谱峰的宽窄也是发光材料的重要特性，谱峰越窄，发光材料的单色性越好，反之亦发光材料的重要

13、特性，谱峰越窄，发光材料的单色性越好，反之亦然。我们将谱峰然。我们将谱峰1/2高度时缝的宽度称作半宽度。如图高度时缝的宽度称作半宽度。如图C所示。所示。依照发射峰的半宽度可将发光材料还分为依照发射峰的半宽度可将发光材料还分为3种类型：种类型：宽带材料：半宽度宽带材料：半宽度100nm，如，如CaWO4；窄带材料：半宽度窄带材料：半宽度50nm，如，如Sr(PO4)2Cl：Eu3+；线谱材料：半宽度线谱材料：半宽度0.1nm，如，如GdVO4)：Eu3+；图C 发射峰的半宽度发光材料究竟属于哪一类，发光材料究竟属于哪一类，既与基质有关，又与杂质有关。既与基质有关，又与杂质有关。例如，将例如，将E

14、u2+掺杂在不同的基质掺杂在不同的基质中，可以得到上述中，可以得到上述3种类型的发种类型的发光材料，而且随着基质的改变，光材料，而且随着基质的改变，发光的颜色也可以改变。发光的颜色也可以改变。半宽度固体光吸收的本质 导带价带能隙 （禁带）我们先讨论纯净物质对光的吸收我们先讨论纯净物质对光的吸收 1.基础吸收或固有吸收基础吸收或固有吸收 固体中电子的能带结构，绝缘体和半导体的能固体中电子的能带结构，绝缘体和半导体的能带结构如图所示，其中价带相当于阴离子的价带结构如图所示，其中价带相当于阴离子的价电子层，完全被电子填满。导带和价带之间存电子层，完全被电子填满。导带和价带之间存在一定宽度的能隙（禁带

15、），在能隙中不能存在一定宽度的能隙（禁带），在能隙中不能存在电子的能级。这样，在固体受到光辐射时，在电子的能级。这样，在固体受到光辐射时，如果辐射光子的能量不足以使电子由价带跃迁如果辐射光子的能量不足以使电子由价带跃迁至导带，那么晶体就不会激发，也不会发生对至导带，那么晶体就不会激发，也不会发生对光的吸收。光的吸收。例如，离子晶体的能隙宽度一般为几个电子伏，相当于紫外光的能量。因此，纯净的理想离子晶体对可见光以至红外区的光辐射，都不会发生光吸收，都是透明的。碱金属卤化物晶体对电磁波透明的波长可以由25m到250nm，相当于0.055ev的能量。当有足够强的辐射（如紫光）照射离子晶体时，价带中的

16、电子就有可能被激发跨过能隙，进入导带，这样就发生了光吸收。这种与电子由这种与电子由价带到导带的跃迁相关的光吸收，称作基础吸收或固有吸价带到导带的跃迁相关的光吸收，称作基础吸收或固有吸收。收。例如，CaF2的基础吸收带在200nm(约6ev)附近，NaCl的基础吸收约为8ev，Al2O3的基础吸收约在9ev。导带价带能隙(禁带）激子能级 2.激子吸收激子吸收 除了基础吸收以外，还有一类吸收，除了基础吸收以外，还有一类吸收，其能量低于能隙宽度，它对应于电子由其能量低于能隙宽度，它对应于电子由价带向稍低于导带底处的的能级的跃迁价带向稍低于导带底处的的能级的跃迁有关。这些能级可以看作是一些电子有关。这

17、些能级可以看作是一些电子-空穴（或叫做激子，空穴（或叫做激子，excition）的激发的激发能级。处于这种能级上的电子，不同于能级。处于这种能级上的电子，不同于被激发到导带上的电子，不显示光导电被激发到导带上的电子，不显示光导电现象，它们和价带中的空穴偶合成电子现象，它们和价带中的空穴偶合成电子-空穴对，作为整体在晶体中存在着或空穴对，作为整体在晶体中存在着或运动着，可以在晶体中运动一段距离运动着，可以在晶体中运动一段距离（1m）后再复合湮灭。后再复合湮灭。3.3.缺陷存在时晶体的光吸收缺陷存在时晶体的光吸收晶体的缺陷有本征的，如填隙原子和空位，也有非本征的，晶体的缺陷有本征的，如填隙原子和空

18、位，也有非本征的，如替代杂质等。这些缺陷的能级定于在价带和导带之间的能隙之如替代杂质等。这些缺陷的能级定于在价带和导带之间的能隙之中。当材料受到光照时，受主缺陷能级接受价带迁移来的电子，中。当材料受到光照时，受主缺陷能级接受价带迁移来的电子，而施主能级上的电子可以向导带迁移，这样就使原本不能发生基而施主能级上的电子可以向导带迁移，这样就使原本不能发生基础吸收的物质由于缺陷存在而发生光吸收，图础吸收的物质由于缺陷存在而发生光吸收，图2.42.4给出了各种光吸给出了各种光吸收的情况。收的情况。CCCEDDDDAAVVVVV电子泵抽运造成的电子-空穴对 CV过程过程 在高温下发生的电在高温下发生的电

19、子由价带向导带的跃迁。子由价带向导带的跃迁。EV过程过程 这是激子衰变过程。这是激子衰变过程。这种过程只发生在高纯半导体和低这种过程只发生在高纯半导体和低温下，这时温下，这时KT不大于激子的结合不大于激子的结合能。可能存在两种明确的衰变过程：能。可能存在两种明确的衰变过程：自由激子的衰变和束缚在杂质上的自由激子的衰变和束缚在杂质上的激子的衰变。激子的衰变。DV过程过程 这一过程中，松弛的束缚在中性杂质上的这一过程中，松弛的束缚在中性杂质上的电子和一个价带中的空穴复合，相应跃迁能量是电子和一个价带中的空穴复合，相应跃迁能量是EgED。例如对例如对GaAs来说，低温下的来说，低温下的Eg为为1.1

20、592ev，许多杂质的许多杂质的ED为为0.006ev，所以所以DV跃迁应发生在跃迁应发生在1.5132ev处。因此，处。因此，发光光谱中在发光光谱中在1.5132ev处出现的谱线应归属于这种跃迁。处出现的谱线应归属于这种跃迁。具有较大的理化能的施主杂质所发生的具有较大的理化能的施主杂质所发生的DV跃迁应当低跃迁应当低于能隙很多，这就是深施主杂质跃迁于能隙很多，这就是深施主杂质跃迁DV过程。过程。CCCEDDDDAAVVVVV电子泵抽运造成的电子-空穴对 CA过程过程 本征半导体导带中的一个电子落在受主杂质原子本征半导体导带中的一个电子落在受主杂质原子上，并使受主杂质原子电离化，这个过程的能量

21、为上，并使受主杂质原子电离化，这个过程的能量为EgEA。例如例如对对GaAs来说，许多受主杂质的来说，许多受主杂质的EA为为0.03ev，所以所以CA过程应发生过程应发生在在1.49ev处。实际上，在处。实际上，在GaAs的发光光谱中，已观察到的发光光谱中，已观察到1.49ev处处的弱发光谱线，它应当归属于自由电子的弱发光谱线，它应当归属于自由电子-中性受主杂质跃迁。导带中性受主杂质跃迁。导带电子向深受主杂质上的跃迁，其能量小于能隙很多，这就是深受电子向深受主杂质上的跃迁，其能量小于能隙很多，这就是深受主杂质跃迁主杂质跃迁CDA过程。过程。CCCEDDDDAAVVVVV电子泵抽运造成的电子-空

22、穴对 DA过程过程 如果同一半导体材料中，施主和受主杂质同时存在，那么可能发生中性施主杂质给出一个电子跃迁到受主杂质上的过程，这就是DA过程过程.。发生跃迁后，施主和受主杂质都电离了，它们之间的结合能为：Eb=-e2/4Kr该过程的能量为：EgEDEAEb。CCCEDDDDAAVVVVV电子泵抽运造成的电子-空穴对4.无机离子固体的光吸收无机离子固体的光吸收无机离子固体的禁带宽度较大，一般为几个电子伏特，相当于紫外光区的能量。因此，当可见光以至红外光辐照晶体时，如此的能量不足以使其电子越过能隙，由价带跃迁至导带。所以，晶体不会被激发，也不会发生光的吸收，晶体都是透明的。而当紫外光辐照晶体时，就

23、会发生光的吸收，晶体变得不透明。禁带宽度Eg和吸收波长的关系为Eg =h=hc/=hc/Eg 式中h为普朗克常数6.6310-34 Js，c为光速。然而如前所述，在无机离子晶体中引入杂质离子后，杂质缺陷能级和价带能级之间会发生电子-空穴复合过程，其相应的能量就会小于间带宽度Eg，往往落在可见光区，结果发生固体的光吸收。图 离子晶体的各种吸收光谱示意半导体的光吸收和光导电现象半导体的光吸收和光导电现象 1.本征半导体的光吸收本征半导体的光吸收 本征半导体的电子能带结构与绝缘体类似，全部电子充填在价本征半导体的电子能带结构与绝缘体类似，全部电子充填在价带，且为全满，而导带中没有电子，只是价带和导带

24、之间的能隙较带，且为全满，而导带中没有电子，只是价带和导带之间的能隙较小，约为小，约为1ev。在极低温度下，电气全部处在价带中，不会沿任何在极低温度下，电气全部处在价带中，不会沿任何方向运动，是绝缘体，其光学性质也和前述的绝缘体一样。当温度方向运动，是绝缘体，其光学性质也和前述的绝缘体一样。当温度升高，一些电子可能获得充分的能量而跨过能隙，跃迁到原本空的升高，一些电子可能获得充分的能量而跨过能隙，跃迁到原本空的导带中。这时价带中出现空能级，导带中出现电子，如果外加电场导带中。这时价带中出现空能级，导带中出现电子，如果外加电场就会产生导电现象。就会产生导电现象。因此，室温下半导体材料的禁带宽度决

25、定材因此，室温下半导体材料的禁带宽度决定材料的性质。本征半导体的光吸收和发光，一般说料的性质。本征半导体的光吸收和发光，一般说来都源于电子跨越能隙的跃迁，即直接跃迁。价来都源于电子跨越能隙的跃迁，即直接跃迁。价带中的电子吸收一定波长的可见光或近红外光可带中的电子吸收一定波长的可见光或近红外光可以相互脱离而自行漂移，并参与导电，即产生所以相互脱离而自行漂移，并参与导电，即产生所谓光导电现象。当导带中的一个电子与价带中的谓光导电现象。当导带中的一个电子与价带中的一个空穴复合时，就会发射出可见光的光子，这一个空穴复合时，就会发射出可见光的光子，这就是所谓光致发光现象。就是所谓光致发光现象。2.非本征

26、半导体的光吸收非本征半导体的光吸收 掺入半导体的杂质有三类：施主杂质、受主杂质掺入半导体的杂质有三类：施主杂质、受主杂质和等电子杂质。和等电子杂质。等电子杂质的存在可能成为电子和空穴复合的中心，等电子杂质的存在可能成为电子和空穴复合的中心，会对材料的发光产生影响会对材料的发光产生影响 单独的施主和受主杂质不会影响到材料的光学性质。单独的施主和受主杂质不会影响到材料的光学性质。这是因为只有当激发态电子越过能隙与空穴复合这是因为只有当激发态电子越过能隙与空穴复合时，才会发生半导体的发光。时，才会发生半导体的发光。n型半导体可以向导带提供足够的电子，但在价型半导体可以向导带提供足够的电子，但在价带中

27、没有空穴，因此不会发光。同样，带中没有空穴，因此不会发光。同样，p型半导体型半导体价带中有空穴，但其导带中却没有电子，因此也不价带中有空穴，但其导带中却没有电子，因此也不会发光。如果将会发光。如果将n型半导体和型半导体和p型半导体结合在一起型半导体结合在一起形成一个形成一个p-n结，那么可以在结，那么可以在p-n结处促使激发态电结处促使激发态电子（来自子（来自n型半导体导带）和空穴（来自型半导体导带）和空穴（来自p型半导体型半导体价带）复合。我们在价带）复合。我们在p-n结处施加一个正偏向压，结处施加一个正偏向压，可以将可以将n区的导带电子注入到区的导带电子注入到p区的价带中，在那里区的价带中

28、，在那里与空穴复合，从而产生光子辐射。这种发光值发生与空穴复合，从而产生光子辐射。这种发光值发生在在p-n结上，故称作注入结型发光。这是一种电致结上，故称作注入结型发光。这是一种电致发光，是发光二极管工作的基本过程。发光，是发光二极管工作的基本过程。可以利用相反过程，用大于能隙宽度的能量的光照射可以利用相反过程，用大于能隙宽度的能量的光照射p-n结，半导体吸收光能，电子从价带激发到导带，价带结，半导体吸收光能，电子从价带激发到导带，价带中产生空穴。中产生空穴。P区的电子向区的电子向n区移动，区移动，n区的空穴向区的空穴向p区移区移动，结果产生电荷积累，动，结果产生电荷积累，P区带正电，区带正电

29、，n区带负电，如果区带负电，如果外接电路，电路中就会有电流通过。利用这种原理可以外接电路，电路中就会有电流通过。利用这种原理可以将太阳能转化为电能。将太阳能转化为电能。（a）未加正偏压的p-n结 （b）加正偏压的p-n结图2.6 p-n结注入发光过程示意 3.光导电现象光导电现象 在晶体对光的基础吸收中，同时会产生电子和空穴成为载流子，对晶体的电导作出贡献。在晶体的杂质吸收中，激发到导带中的电子可以参与导电，但留下来的空穴被束缚在杂质中心，不能参与导电。这样的空穴俘获邻近的电子而复合。当价带电子受光激发到杂质中心时，价带中产生的空穴可以参与导电。光导电晶体中载流子的生成和消失 陷阱当电场强度一

30、定时，改变光的强度会对光导电流产生影响。一般地，光导电流强度与光强成正比变化。图 AgBr的光导电流随电压的变化 这样有光辐射激发产生的载流子，一方面在负荷中心这样有光辐射激发产生的载流子，一方面在负荷中心消失掉，另一方面在电场作用下可以移动一段距离后，再消失掉，另一方面在电场作用下可以移动一段距离后，再被陷阱俘获。如果外电场强度大，则载流子再被陷阱所俘被陷阱俘获。如果外电场强度大，则载流子再被陷阱所俘获之前在晶体中飘移的距离长、光电流强，但会有一个饱获之前在晶体中飘移的距离长、光电流强，但会有一个饱和值。和值。利用半导体的光导电效应，把光的信息转化为电的信息，这在现代技术和日常生活中已得到广

31、泛应用。例如，对可见光敏感的CdS用于照相机的自动曝光机规定曝光时间的自动装置，半导体硒应用在静电复印机上；利用对红外线敏感的PbS、PbSe、PbTe等制成红外线探测器、传感器等。发光效率发光效率 发光强度也随激发强度而改变，通常用发光效率来表征材料的发光本领，有3种表示方法：量子效率量子效率 发射物质辐射的量子数N发光与激发光源输入的量子数N吸收的比值：B量子=N发光/N吸收 能量效率能量效率 发光能量与激发源输入能量之间的比值 B量子=E发光/E吸收 如果是光致发光，又与E=h，所以能量效率还可以表示如下：B量子=E发光/E吸收=h发光/h吸收=发光/吸收 光度效率光度效率 发光的流明数

32、与激发源输入流明数的比值：B量子=光度发光/光度吸收 色坐标色坐标 发光材料的颜色在商品上主要用所谓色坐标来表示。我们知道，平常所看到的颜色都可以用红、绿、蓝3种彼此独立的基色匹配而成。但在匹配某种颜色时，不是将3种颜色叠加起来，而是从2种颜色叠加的结果中减去第3种颜色。所以，国际照明协会决定选取一组三基色参数x、y、z，时的颜色匹配过程中只有叠加的办法，称作（x、y、z系统）。任何一种颜色Q在这种系统中表示为：Q=ax+by+cz 这3个系数的相对值为：x=y=z=称作色坐标。由于x+y+z=1，所以如果x、y确定了，z值也就定了，因此可以用一个平面图来表示各种颜色。cbaacbabcbac

33、图1 颜色坐标图 光致发光原理：位形坐标模型光致发光原理：位形坐标模型晶体中的离子其吸收光谱与发射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，并且都是窄带谱或锐线谱（0.01cm-1）。而晶体中离子的发射光谱的能量均低于吸收光谱的能量，并且是宽带谱。这是由于晶格振动对离子的影响所致。与发光中心相联系的电子跃迁可以和基质晶体中的原子（离子）交换能量，发光中心离子与周围晶格离子之间的相对位置、振动频率以及中心离子的能级受到晶体势场影响等。因此，应当把激活剂离子及其周围晶格离子看作一个整体来考虑。相对来说，由于原子质量比电子大得多，运动也慢得多，故在电子跃迁中，可以认为晶体中原子间的

34、相对位置和运动速率是恒定不变的（即弗兰克-康登原理 Franke-Condon）。这样，就可以采用一种所谓的位形坐标来讨论发光中心的吸收和发射过程。所谓位形坐标图，就是用纵坐所谓位形坐标图，就是用纵坐标表示晶体中发光中心的势能，其标表示晶体中发光中心的势能，其中包括电子和离子的势能以及相互中包括电子和离子的势能以及相互作用在内的整个体系的能量；横坐作用在内的整个体系的能量；横坐标则表示中心离子和周围离子的位标则表示中心离子和周围离子的位形，其中包括离子之间相对位置等形，其中包括离子之间相对位置等因素在内的一个笼统的位置概念。因素在内的一个笼统的位置概念。一般的也可代用粒子间核间距作横一般的也可

35、代用粒子间核间距作横坐标。图中连续的曲线表示势能作坐标。图中连续的曲线表示势能作为发光中心离子核间距函数的定量为发光中心离子核间距函数的定量变化关系，它在平衡距离变化关系，它在平衡距离re处有一处有一个极小值，水平线个极小值，水平线0、1、2表示粒子在基态具有的不同量子振表示粒子在基态具有的不同量子振动态。动态。图 发光中心基态的势能图 依照弗兰克依照弗兰克-康登原理，康登原理，这个过程体系能量从这个过程体系能量从A垂直垂直上升到上升到B，而离子的位形基而离子的位形基本不变。但在激发态，由于本不变。但在激发态，由于离子松弛，电子以热能形式离子松弛，电子以热能形式散射一部分能量返到新激发散射一部

36、分能量返到新激发态能级态能级C形成新的活性中心。形成新的活性中心。那么，发光过程就是电子从那么，发光过程就是电子从活化中心活化中心C回到原来基态回到原来基态A或或D。显然，激活过程能量显然，激活过程能量EABECA或或ECD。这就这就解释了斯托克位移。解释了斯托克位移。图3 发光中心基态和激发态的势能图 应用之一:解释斯托克位移激活过程包括电子从基态能级激活过程包括电子从基态能级A跃迁到激发态的较高能级跃迁到激发态的较高能级B产生一个活产生一个活性中心。性中心。应用之二:解释发光“热淬灭”效应 任何发光材料，当温度升高到一定温度时，发光强度会显著降低。这就是所谓的发光“热淬灭”效应（Therm

37、alquenching effect）。在图中，基态和激发态的势能曲线交叉于E点。在该点，激发态的离子在能量不改变的情况下就可以回到基态，然后再通过一系列的改变振动回到基态的低能级上去。因此，E点代表一个“溢出点”。如果处于激发态的离子能获得足够的振动能而达到E点，它就溢出了基态的振动能级。如果这样，全部能量就都以振动能的形式释放出来，因而没有发光产生。显然，E点的能量是临界的。一般说来，温度升高，离子热能增大，依次进入较高振动能级，就可能达到E点。应用之三：解释非辐射跃迁另外，在吸收了光以后，离子晶格有一定弛豫，故平衡位置re只有统计平均的意义，实际上是一个极小的区间，因此吸收光谱就包括许多

38、频率（或波长）而形成宽带。这就是固体中离子光谱呈带状的原因。在上述热淬灭现象的那种情况中，激发离子通过把振动能传递给环境基质晶格，而失掉了其剩余的能量，返回到较低的能级上。这种跃迁过程不发射电磁波，即光，因而称为非辐射跃迁PE敏活剂基态激活剂基态能量传递非辐射能量散射敏活过程发光过程hh 图4 应用之四：解释“毒物”作用 某些杂质对发光材料有“毒物”作用，激发光因材料含有毒物而淬灭。毒物效应往往是以非辐射能传递方式起作用的：能量或从敏活剂或激活剂传递到毒物上，而后者将能量以振动能散射到基质晶格中，以致活性中心不能发光。具有非辐射跃迁的离子有Fe3+、Co2+、Ni2+等，因而在制备磷光材料中应

39、当杜绝这些杂质的存在。n电视显像管，计算机监视器和示波器等的荧光屏都是利用CL。这方面的应用也是大量的和广泛的。为了代替笨重的真空显象管和显示管，自七十年代起就开展了固体平板显示器的研究。虽然液晶显示屏已用于各种计算机，并已成为手提电脑不可或缺的部件，但有机EL薄膜显示屏不久也会有商品。它是主动发光，有广大的视角，受外界温度影响小，反应快（微秒级，液晶为毫秒），这都是是液晶所不及的。彩色显像管用发光材料示例颜色 组 成 色 度 主峰波长（nm）能量效率（%）10%余辉 x y红 Zn3(PO4)2:Mn 0.665 0.335 663 6.7 27ms （Zn,Cd）S:Ag 0.665 0.

40、336 670 16.0 YVO4：Eu 0.664 0.330 620 7.1 1-3ms Y2O3:Eu 0.640 0.352 610 8.7 1-3ms Y2O3S:Eu 0.648 0.344 626 13.0 0.5-2ms绿 Zn2SiO4:Mn 0.218 0.712 525 7.4 25ms （Zn,Cd）S:Ag 0.300 0.600 535 19.8 0.05-2ms （Zn,Cd）S:Al 0.357 0.596 535 18.4 15-30s ZnS:Cu,Al 0.243 0.633 530 21.8 15-30s ZnS:Cu,Au,Al 0.332 0.602 535 15-30s蓝 ZnS:,Ag 0.146 0.057 450 20.4 5-15s