应用物理光致发光.pptx

肖志松

北航物理系

;概述;1基本原理;对于比较纯的晶体材料，光吸收导致电子从价带跃迁到导带，产生了导带中可以自由移动的电子、价带中可自由移动的空穴。

但在很多情形中，与发光有关的电子态跟一定的结构缺陷，原子、离子、分子或更复杂的原子基团相联系，因而也称它们为发光中心。在一些实用的发光材料里，发光中心是靠在基质中掺杂杂质形成的。

;若发光过程从吸收激发能量到发射光子都在一个中心内部进行，则该发光中心称为分立发光中心。分立发光中心和晶格没有紧密的联系，这种中心内的电子即使处于激发态也不离开中心。

如：稀土离子发光。

若作为发光中心的离子的外壳层电子受晶体场的作用很强，以致在被激发后可以进入导带（或空穴被激发进入价带），被激发了的载流子重新复合而发光叫做复合发光。

如：β—FeSi2发光。

分立中心的发光光谱主要决定于发光中心本身的能量结构，复合发光的发光谱主要决定于晶格结构，当然发光中心本身也有一定影响。

;跃迁条件;发光中心本身能级机构；

发光中心之间的能量传递；

发光中心与基质之间的能量传递（晶格振动）；

杂质或缺陷产生的陷阱。

;斯托克斯规则：发光波长总是大于吸收波长。

反斯托克斯现象：

当环境周围的振动能级比较高，而激发发光中心的激发态所处振动能级比较低，这时发光中心有可能得到一部分振动能而升到比较高的激发态，导致发光波长比激发波长短。激光制冷就是应用这一现象。

瓦维洛夫定律：在发光和吸收光谱的重叠区发光效率急剧下降。

上转换现象：

（a）一个中心先后吸收两个光子，然后发射一个能量大的光子；

（b）一个中心同时吸收两个光子，然后发射一个能量大的光子；

（c）吸收共振先后结合的顺序过程。

;上转换示意图;在发光中心常常采用敏化的方法，即使用容易吸收能量的中心及发光性能良好的中心共同掺杂，并使第一类中心把吸收的能量传递给第二类中心，从而提高发光效率。

能量传递的条件：

1、两个中心有相近的能级间隔；

2、两个中心距离很近??

;附：稀土元素的能级结构;

;吸收光谱是描述吸收系数随入射光波长变化的图谱。

横坐标是入射光频率或波长，纵坐标是吸收系数。

I(x)=I0e-αx

I0为入射到样品上某一频率光的强度；

α为吸收系数；

x为入射深度。

;

按能引起发光的能力随波长的变化画出的曲线，叫做激发光谱。它实际上表示用不同波长的光激发，使材料发出某一波长光的效率。

激发谱的横坐标为激发频率（或波长），纵坐标为发光相对能量（或相对强度）。

激发光谱通常用来寻找材料的最佳激发波长。

;让发光经分光仪器（单色仪）分解成不同波长成分的光，再测出它的强度，就得到发光的光谱分布。由于发光的绝对能量不易测量，通常，实验测量的都是发光能量的相对光谱分布。

在发光光谱中，横坐标为发光频率（或波长），纵坐标为发光的相对能量（相对强度）。

发光光谱反应了与发光跃迁有关的电子态的性质。;发光光谱类似人的指纹，是一个发光材料独具的特征。通常可遇到三种不同情况：线谱、带谱以及线谱带谱共存情况。

光谱的线性一般可由高斯函数表示：

E(ν)=E(ν0)exp[-a(ν-ν0)2]

其中ν代表频率;ν0代表峰值频率；E代表能量。

通常用谱线能量到达半高峰时的谱线宽度表示发光光谱的线型。

对于光吸收明显的材料，尤其是液体，在分析发光谱时需要考虑吸收光谱，并对其进行校正。;对于发光谱，一个很重要的性能是激发态的寿命。对于允许的发光跃迁寿命很短，为10-8—10-7s，对于固体中强禁戒发光跃迁，寿命长得多，为几个毫秒。对于二能级体系而言，激发态电子数目按下式减少

dNe/dt=-NePeg

式中Ne——激发后处于激发态的发光离子的数量；

t——时间

Peg——从激发态向基态的自发光的速率

积分得Ne（t）=Ne（0）e-Pegt也可写成Ne（t）=Ne（0）e-t/τ

τ——发光的衰减时间τ=Peg-1

经过时间τ，激发态的数目下降到1/e，τ即是发光寿命。;

;对于某些发光材料发光强度会随着温度升高而降低。

原因：

这主要是因为温度升高后，基质内晶格振动增强，声子能量增大，使得跃迁以非辐射方式进行。

加热发光曲线通常用来辅助判断发光来源（应用Varshni’s法则）。