20121101发光的基础知识.docx

第一讲 发光材料的基础知识第一节 发光1.1 光与电磁波辐射光是能量的一种形态，光的本质是电磁波，在波长范围极其宽广的电 磁波中，光波仅占很小的部分可见光的波长范围约在390〜770nm在这 个范围内的各种波长都可凭眼睛的颜色感觉来加以区分紫色 390~446nm， 蓝色446〜492nm，绿色492〜578nm，黄色578〜592nm，橙色592〜620nm, 红色620〜770nm由单一波长组成的光称为单色光，实际上，严格的单色 光几乎不存在，所有光源所产生的光均占据一段波带，有的可能很窄，例 如，激光可认为是最接近理想单色光的光源波长超过可见光的紫色和红色两端的电磁辐射分别称为紫外辐射和红 外辐射紫外辐射的短波段可以延伸到10nm，红外辐射的长波段人为地规 定到1mm左右，再长的波段则属于无线电波的范围1.2 人眼的视觉特性光源与显示器件发射的可见光辐射刺激人眼引起的明暗和颜色的感 觉，除了取决于辐射对人眼产生的物理刺激外，还取决于人眼的视觉特性 发光效果最终是由人眼来评价的，能量参数并未考虑人眼的视觉作用，发 光效果必须用基于人眼视觉的光量参数来描述人眼的视网膜上布满了大量的感光细胞，感光细胞有两种：（1）柱状 细胞，灵敏度高，能感受极微弱的光；（2）锥状细胞，灵敏度较低，但能 很好地区分颜色。

人眼的视觉特性和大脑区域的生理功能决定了客观光波 刺激人眼而引起的主观效果不同波长的光，人眼的感受程度不同，即人 眼对各种颜色光感受的灵敏度是不同的，对绿光的灵敏度最高，而对红光 的灵敏度要低得多不同的观察者对各种波长的光的灵敏度也有所不同； 而且，人眼对光感受的灵敏度还与观察者的年龄及健康状况有关，这会给 光的度量带来很大的困难因此，国际照明委员会（CIE）根据各国测试和 研究的结果，提出平均人眼对各种波长的光的相对灵敏度值（光谱光视觉 函数）在亮度超过 10cd/m2 的环境里最大的视觉响应峰值在光谱绿区中的 555nm处这条视觉函数曲线是1924年得到国际上公认的，也称为明视觉 的光谱光视效率当环境亮度低于10cd/m2时，属于暗视觉的范围眼睛适 应暗视觉状态约需30min时间，此时的最大视觉响应峰值在507nm对于光辐射的探测和计量存在着辐射度学和光度学两种不同的体系 辐射度学适用于整个电磁辐射波段，是用纯客观的物理量，不考虑人眼的 视觉效果来描述光辐射，通常用于非可见光区的辐射；光度学物理量是考 虑了人的视觉郊野的生理物理量，可以反映人眼的视觉明暗特性，用于评 价可见光区域的辐射。

1.3 发光的本质当某种物质受到诸如光照射、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，它总要回复到原来的平衡状态在这 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如果这部分 能量是以可见光或近可见光的电磁波形式发射出来的，就称这种现象为发 光概括地说，发光就是物质在热辐射之外以光的形式发射出多余的能量 而这种多余能量的发射过程具有一定的持续时间发光现象的两个主要的特征是：任何物体在一定温度下都有热辐射， 发光是物体吸收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定的时间，称为余辉近代物理研究表明，光的吸收和发射是原子（分子或离子）体系在不 同能量状态间跃迁的结果这一过程可分为两种：在没有外界作用的情况 下处于基态的原子数目总是占绝大多数当原子受到光子照射时，处于低 能态El的原子会吸收能量而跃迁到高能态E2，这个过程称为受激吸收 处于激发态 E2 的原子其能量较高，属于介稳状态，会跃迁到低能态 E1， 放出相应的能量，这个过程称为自发发射图解发光过程） l.4 发光的分类与应用l ）发光的分类对各种发光现象，可按其被激发的方式进行分类：光致发光、电致发 光、阴极射线发光、辐照发光、化学发光和生物发光等。

1）光致发光（photoluminescence）光致发光是指用紫外光、可见光或红外光激发发光材料而引起的发光 现象它大致经过吸收、能量传递及光发射三个阶段光的吸收及发射都 发生于能级之间的跃迁，都经过激发态而能量传递则是由于激发态的运 动激发光辐射的能量可直接被发光中心（激活剂或杂质）吸收，也可被 发光材料的基质吸收在第一种情况下，发光中心吸收能量向较高能级跃 迁，随后跃迁回到较低能级或基态能级而产生发光在第二种情况下，基 质吸收光能，在基质中形成电子—空穴对，它们可能在晶体中运动，被束 缚在各个发光中心上，发光是电子与空穴的复合而引起的当发光中心离 子处于基质的能带中时，会形成一个局域能级，处在基质导带和价带之间， 即位于基质的禁带中不同的基质结构，发光中心离子在禁带中形成的局 域能级的位置不同，从而在光激发下，会产生不同的跃迁，导致不同的发 光色光致发光材料分为荧光灯用发光材料、pdp用发光材料、长余辉发 光材料和上转换发光材料2) 电致发光(electroluminescence ) 电致发光是由电场直接作用在物质上所产生的发光的现象电致发光 分为两种类型：一是本征型电致发光(1936 年，德斯特里奥效应)，二是半 导体p-n结的注入式电致发光°III-V族半导体材料制成的发光二极管的发 光就是注入式电致发光。

当半导体p-n结正向偏置时，电子(空穴)会注入 到p(n)型材料区这样注入的少数载流子会通过直接或间接的途径与多数 载流子复合，从而发光 3)阴极射线发光( cathodeluminescence) 是发光物质在电子束激发下所产生的发光电子射入发光材料的晶格， 由于一系列的非弹性碰撞而形成二次电子，其中一部分由于二次发射而损 失掉，而大部分电子激发发光中心，以辐射或无辐射跃迁形式释放出所吸 收的能量，这些跃迁间的比例决定了发光的效率 CRT 电视就是阴极射线 发光 4)辐照发光辐照发光是指咼能光子(如X射线和丫射线)和咼能粒子(a粒子、 0粒子、质子、中子)辐照发光材料，与其中的原子、分子碰撞、使之发 生电离，电离出的电子有很大的动能，可继续引起其他原子的激发和电离， 产生二次电子，通过电子—空穴复合或激子的迁移，把激发能传递给激活 剂而发光医院诊断用X射线照片 5)其他发光 应力发光是将机械应力加在某种固体材料上而导致的发光现象比较 激烈的应力发光在地震时可以明显观察到，一些材料在断裂时经常可观察 到发光现象，如 SiO2、 NaCl、 TiO2、 SrTiO3 等化学发光是由化学反应过程中释放出来的能量激发发光物质所产生的 发光现象。

生物发光是指在生物体内，由于生命过程的变化，其相应的生化反应 释放的能量激发发光物质所产生的发光还有热释发光、光释发光、声致发光等2）发光的应用自然界的很多物体（包括固体、液体和气体，有机物和无机物）都具 有发光的性能就固体发光材料而言，其包括有机材料和无机材料两大类 目前无机发光材料的研究与应用已相当深入，稀土发光材料已趋于主导地 位，而有机发光材料的研究正在蓬勃发展要区别某一材料是否发光并没有明显的界线一般条件下不发光的材 料在非常强的激发下也可能有微弱的发光；有些材料需要提高纯度，发光 才能增强；有些材料纯度高但需要掺入一些杂质才能有好的发光在技术 应用中广泛采用的材料是掺杂材料，一般杂质含量很少，约占 10-3有的发 光材料中含有不止一种杂质通过杂质的掺入可以改变发光材料的性能， 包括效率、余辉、光谱等，在电致发光材料中杂质还可用来改变导电类型 和电阻率等参量各种发光材料按一定的技术要求制成不同的发光器件，在外界的激发 下发光在使用发光材料和器件时，应该先了解它们的性能，然后根据具 体需要决定实施方案实际应用对发光材料和器件的要求主要是发光效率 亮度、余辉及光谱等基本特征利用发光作为光源是照明技术的一次革命。

从古代的钻木取火到近代 的白炽灯照明，虽然技术上有了飞跃的变革，但它们的原理完全相同，均 依靠热辐射白炽灯在照明中起了极大的作用，但它在依靠热辐射得到光 的过程中很大一部分能量变成热能而白白消耗掉，其效率只有151m/W而 利用光致发光材料制成的日光灯作为照明光源，它不仅可以模拟太阳的光 色，减轻眼睛的效劳、提高功效，而且效率已经高达100 lm/W以上发光材料和器件的一项十分重要的应用是显示显示技术在生产、军 事、科学实验和日常生活中具有重要的应用，并成为人们生活之必需，其 发展也极其迅速从家用的彩色阴极射线电视机到高清晰大屏幕的彩色等 离子体平板显示器，从计算机显示屏到显示屏，品种繁多，目前正在 往小型化、集成化以及高清晰大屏幕显示方向发展光电子学器件是利用发光器件和适当的光电器件等结合，可以实现全 固体化的丰富多彩的应用，如用X射线或红我光图像转换成可见光图像的 图像转换器，实现图像储存、光放大以及逻辑电路、振荡器、放大器、继 电器等功能的光电子学器件发光在核辐射场的探测辐射剂量的记录方面也获得了广泛的应用，具 有放射发光性能的闪烁体是构成闪烁计数器的主要部件而闪烁计数器是 辐射场探测的重要方法之一。

利用辐照发光和热释发光的原理制作的剂量 计，在辐射剂量学中一直受到重视此外，发光在农业上选种、工业中的分析、染色，医学诊断，水利勘 探，以及化学分析，分子生物学和考古学都有不同程度的应用第二节 发光的一些基本概念1、 吸收光谱（Absorption spectrum ）吸收光谱是描述吸收系数随入射光波长变化的谱图当一束光照射到 发光材料上时，一部分被反射、散射，一部分透射，其他的被吸收只有 被吸收的这部分光才能对发光材料的发光起作用当然不是所有被吸收的 各种波长光都能对发光有贡献即能起激发作用发光材料对光的吸收遵循 如下规律：I （入）=Io （入）的X式中I0 （入）——波长为入的入射光的初始强度；I （入）——入射光通过厚度为X的发光材料后的强度；K ——吸收系数，不随光强但随波长变化的一个系数入发光材料的吸收光谱主要决定于材料的基质，激活剂和其他杂质对吸 收光谱也有一定的影响多数情况下，发光中心是一个复杂的结构，发光 材料基质晶格周围的离子对它的性质会产生影响吸收可以是由发光材料 基质晶格的空位所决定，空位是在发光材料的形成过程中产生的被吸收 的光能一部分辐射发光，一部分能量以晶格振动等非辐射方式消耗掉。

大 多数发光材料主吸收带在紫外光谱区发光材料的紫外吸收光谱可由紫外 —可见分光光度计来测量2、 漫反射光谱（ Diffuse reflection spectrum）如果材料是一块单晶，经过适当的光学加工，利用分光光度计并考虑 到反射的损失，就可以测得该材料的吸收光谱但是大多数实际的发光材 料并非单晶，而是粉末，并由众多的微小晶粒组成，这给精确测量吸收光 谱带来很大的困难此时，只能通过测定材料的反射光谱来估计它对光的 吸收当光线投射到粗糙的表面时，光线向四面八方散射和反射，称为漫 反射一般粗糙表面、粉末漫反射就较强，反射光的总量与入射光的总量 之比称为漫反射率物体的漫反射率随入射波长而变化的谱图称为漫反射 光谱，有时简称为反射光谱通常，如果材料对某波长的吸收强，反射率 就低，反之，吸收弱，反射率就高但绝不能认为漫反射光谱就是吸收光 谱紫外—可见分光光度计上附有漫反射积分球、粉体盒和固体样品架， 可以用来进行漫反射光谱的测量3、 激发光谱（Excitation spectrum）激发光谱是指发光材料在以不同波长光的激发下，该材料的某一发光 谱线或谱带的强度或发光效率与激发波长的关系激发光谱反应了不同波 长的光激发的效果。

根据激发光谱可以确定激发该发光材料使其发光所需 的激发波长范围，并可以确定某发光。