发光材料的基础知识分解课件.ppt

n1.1 发光基础发光基础 概念概念1.2 发光材料的主要特性与规律发光材料的主要特性与规律1.3 能量的传递和输运能量的传递和输运1.4 光与颜色光与颜色第第1章章 发光材料的基础知识发光材料的基础知识1.1 发光基础概念发光基础概念1.1.1 光与电磁波辐射光与电磁波辐射 光的本质：电磁波光的本质：电磁波图图1-1 电磁波频谱电磁波频谱E = h = hc/ E (eV) = = 1.24 10-4 w (cm-1) w (cm-1) = = 8064.5E (eV) 表表 1 -1各种可见光色对应的真空中的光波波长（各种可见光色对应的真空中的光波波长（nm）光色光色紫光紫光蓝蓝光光天天蓝蓝绿绿光光黄黄绿绿黄光黄光橙光橙光红红光光波波长长380-420420-490490-500500-550550-570570-590590-620620-760光光紫外辐射（紫外辐射（ultraviolet）10nm-380 nm红外辐射红外辐射 (infrared) 780 nm-1 mm可可见见 (visible) 380nm-780 nm发光的定义发光的定义：发光就是物质在热辐射之外，体系受外界的激发，偏离原发光就是物质在热辐射之外，体系受外界的激发，偏离原来的平衡态，在回复到平衡态的过程中，以光的形式发射出多余的能量，来的平衡态，在回复到平衡态的过程中，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而这种多余能量的发射过程具有一定的持续时间持续时间。

发光是一种非平衡辐发光是一种非平衡辐射发发 光光 =明明 亮亮(?)白白炽炽灯灯-钨丝钨丝通通电电加加热热到到2000 左右左右产产生生-热辐热辐射射热辐热辐射射:是一种普遍是一种普遍现现象，与物体受象，与物体受热热后有后有较较高的温度有关，是固体晶高的温度有关，是固体晶格在高温下格在高温下剧剧烈振烈振动产动产生的生的 ，是一种热平衡状态的辐射是一种热平衡状态的辐射注意：注意：1 发光是由发光物质的电子在不同能级间跃迁产生的发光是由发光物质的电子在不同能级间跃迁产生的 2 发发光光过过程程仅仅伴有极少量的伴有极少量的热辐热辐射3非平衡非平衡热辐热辐射射还还有有发发射和散射等射和散射等荧荧光和磷光光和磷光:一般将激一般将激发发停止后仍然停止后仍然发发出的光称作磷光，如出的光称作磷光，如长长余余辉发辉发光材料所光材料所发发的光是典型的磷光曾将激的光是典型的磷光曾将激发发停止后持停止后持续时间续时间大于大于10-8秒秒的的发发光叫做磷光，光叫做磷光，现现在在对荧对荧光和磷光不做光和磷光不做严严格的区格的区别别1.1.2 发光发光固体固体发发光的两个基本特征光的两个基本特征:（1） 任何物体在一定温度下都具有平衡任何物体在一定温度下都具有平衡热辐热辐射，而射，而发发光是指光是指吸收外来能量后，吸收外来能量后，发发出的出的总辐总辐射中超出平衡射中超出平衡热辐热辐射的部分；射的部分；（2） 当外界激当外界激发发源源对对材料的作用停止后，材料的作用停止后，发发光光还还会持会持续续一段一段时间时间，这这是固体是固体发发光与其它光光与其它光发发射射现现象的根本区象的根本区别别。

发发光是一种宏光是一种宏观现观现象，但它和晶体内部的缺陷象，但它和晶体内部的缺陷结结构、能构、能带结带结构、构、能量能量传递传递、载载流子迁移等微流子迁移等微观观性性质质和和过过程密切相关程密切相关基态基态：能量最低的平衡状态：能量最低的平衡状态激发态：原子或分子吸收一激发态：原子或分子吸收一定的能量后，电子被激发到定的能量后，电子被激发到较高较高能级能级但尚未电离的状态但尚未电离的状态 卤粉卤粉Ca5(PO4)3F:Sb3+, Mn2+（1） 自然界中的自然界中的发发光材料光材料（2 ） 17世世纪纪开始，开始，发发光光现现象称象称为实验为实验科学的研究科学的研究对对象象1 发光材料简介：发光材料简介：（3 ） 1852年，光致年，光致发发光第一个光第一个规规律律-Stocks定律提出定律提出（4） 1867年，年，红红宝石的光宝石的光谱谱特性特性（5） 1878年，阴极射年，阴极射线发线发光的研究光的研究（6） 19世世纪纪末末20世世纪纪初，初，X射射线线和核和核辐辐射的射的发现发现（7） 1905年，年，爱爱因斯坦用光子的概念揭示因斯坦用光子的概念揭示Stocks规规律的意律的意义义（8 ）1913年，波年，波尔尔提出原子提出原子结结构的量子理构的量子理论论-发发光学的理光学的理论论基基础础（9） X射射线线激激发发的的CaWO4医用照相，医用照相，寻寻找找钨矿钨矿，以及其它，以及其它类类发发光材料在光材料在显显示、照明等方面的广泛医用示、照明等方面的广泛医用1.1.3发光材料发光材料发发光材料定光材料定义义:发发光体，是一种能光体，是一种能够够把从外界吸收的各种形把从外界吸收的各种形式的能量式的能量转换为转换为非平衡光非平衡光辐辐射的功能材料。

射的功能材料 基质基质：发光材料中的主体物质：发光材料中的主体物质激活剂（发光中心）激活剂（发光中心）：掺入的：掺入的杂质，决定材料的发光性能杂质，决定材料的发光性能发光材料组成：发光材料组成：荧荧光粉：一定的激光粉：一定的激发发条件下能条件下能发发光的无机粉末材料，一般指的光的无机粉末材料，一般指的是粉末晶体，也称是粉末晶体，也称为为磷光体（磷光体（phosphors),含有稀土离子的含有稀土离子的则则成成为为稀土稀土荧荧光粉光粉.1. 基基质组质组成中阳离子成中阳离子应应具有惰性气体元素具有惰性气体元素电电子构型，或具有子构型，或具有闭闭壳壳层电层电子子结结构构2. 阳离子和阴离子都必阳离子和阴离子都必须须是光学透明的；是光学透明的；3. 晶体晶体应应具有确定的某种缺陷具有确定的某种缺陷作为基质化合物至少应具备如下基本条件：作为基质化合物至少应具备如下基本条件：已用作基已用作基质质的无机化合物主要有的无机化合物主要有：1. 氧化物及复合氧化物，如氧化物及复合氧化物，如Y2O3，Gd2O3，Y3AI5O12(YAG)，SrTiO3等；等；2. 含氧酸含氧酸盐盐，如硼酸，如硼酸盐盐，铝铝酸酸盐盐，镓镓酸酸盐盐，硅酸，硅酸盐盐，磷酸，磷酸盐盐，钒钒酸酸盐盐，钼钼酸酸盐盐和和钨钨酸酸盐盐以及以及卤卤磷酸磷酸盐盐等。

等3.3.稀土稀土卤卤氧化物（如氧化物（如LaOCl，LaOBr），稀土硫氧化物（如），稀土硫氧化物（如Y2O2S，Gd2O2S）等）等激活剂：激活剂掺入到基质中后以离子形式占据晶体中某种阳离子格位构激活剂：激活剂掺入到基质中后以离子形式占据晶体中某种阳离子格位构成发光中心，因此激活离子又被称作发光中心离子激活离子的电子跃迁是成发光中心，因此激活离子又被称作发光中心离子激活离子的电子跃迁是产生发光的根本原因产生发光的根本原因激活离子在基质中能够产生电子跃迁实现发光，须遵循一定选择定则主激活离子在基质中能够产生电子跃迁实现发光，须遵循一定选择定则主要有：要有：拉鲍特定则（拉鲍特定则（LaPortes Rule，亦称宇称选择定则：，亦称宇称选择定则：在中心对称环境在中心对称环境中，跃迁仅允许发生在相反宇称状态之间，否则是禁戒的中，跃迁仅允许发生在相反宇称状态之间，否则是禁戒的）和和自旋选择定则自旋选择定则（Spin selection Rule：跃迁仅允许发生在相同自旋多重态之间跃迁仅允许发生在相同自旋多重态之间 ）激活离子的选择条件：激活离子的选择条件：具有未充满轨道；与基质中被取代离子半径相近具有未充满轨道；与基质中被取代离子半径相近。

激活激活剂剂绿：激活元素绿：激活元素黄：等离子体元素（电压的作用下发生气体放电）黄：等离子体元素（电压的作用下发生气体放电）蓝紫：基质元素蓝紫：基质元素图图1-5“发发光元素周期表光元素周期表”按被激发的按被激发的方式可分为方式可分为1.1.4 发光材料分类：发光材料分类：光致发光光致发光(photoluminescence，通常为紫外线，通常为紫外线)电致发光（电致发光（elctroluminescence,电压电压 )阴极射线发光（阴极射线发光（cathodoluminescence，电子束），电子束）X射线及高能粒子发光（射线及高能粒子发光（x-ray luminescence)）机械发光（机械发光（triboluminescence，如球磨），如球磨）化学发光化学发光(chemiluminescence化学反应产生的能量）化学反应产生的能量）生物发光生物发光(bioluminescence )声发光声发光 (sonoluminescence )热释发光热释发光 (thermoluminescence )放射线发光放射线发光 (radioluminescence )(1) 定定义义：用紫外用紫外线线、可、可见见光或光或红红外外线线激激发发材料而材料而产产生的生的发发光光现现象。

象2) 材料分材料分类类：荧荧光灯用光灯用发发光材料、光材料、LED发发光材料、光材料、PDP(Plasma Display Panel)用用发发光材料、光材料、长长余余辉发辉发光材料和上光材料和上转换发转换发光材料3) 实实用材料：用材料：荧荧光灯用光灯用红粉红粉Y2O3:Eu3+ 、 绿粉绿粉CeMgAl11O19:Tb3+ 、蓝粉、蓝粉BaMgAl10O17:Eu2+；LED用用(Y1-aGda)3(Al1-bGab)5O12:Ce3+ ；PDP用用 ZnSiO4：Mn2+ 等1 光致光致发发光光定定义义：电场电场直接作用在物直接作用在物质质上所上所产产生的生的发发光光现现象，象，电电能能转转化化为为光能，是一种主光能，是一种主动发动发光性冷光源光性冷光源分分类类：注入式注入式发发光和本征型光和本征型发发光（高能光（高能电电子碰撞激子碰撞激发发发发光中心）光中心）图1-6 注入式电致发光模型注入式电致发光模型2 电电致致发发光光:晶体材料都呈现一定规律的周期排列，内部原子存在较晶体材料都呈现一定规律的周期排列，内部原子存在较强的相互作用，导致电子能级的变化，许多相近的能级强的相互作用，导致电子能级的变化，许多相近的能级构成构成能带能带。

许多重要的发光材料大部分都是选择在基质中掺入微量许多重要的发光材料大部分都是选择在基质中掺入微量杂质，使得基质晶格的规则排列被破坏，从而形成杂质，使得基质晶格的规则排列被破坏，从而形成缺陷缺陷能级能级，当外部光源照射时，电子就会在各种能级间跃迁，当外部光源照射时，电子就会在各种能级间跃迁，从而形成发光现象从而形成发光现象掺杂到基质晶格中的激活剂的价态、在晶格中的位置、掺杂到基质晶格中的激活剂的价态、在晶格中的位置、激活剂周围的情况，是否有共激活剂等，决定发光中心激活剂周围的情况，是否有共激活剂等，决定发光中心的发光特性的发光特性1.2 发光材料的主要特性与规律发光材料的主要特性与规律当光照射到发光材料上时，一部分被反射、散射，一部分被当光照射到发光材料上时，一部分被反射、散射，一部分被透射，剩余的部分被材料吸收透射，剩余的部分被材料吸收,遵循遵循beer定律定律其中，其中，I0() 为波长为为波长为的光照射到物质的强度；的光照射到物质的强度；I ()为光通过厚度为光通过厚度X的发光材料后的强度；的发光材料后的强度；X-厚度；厚度；k 是不依赖光强，随波长而变化的函数，称为吸收系数是不依赖光强，随波长而变化的函数，称为吸收系数;1.2 .1光谱与能级光谱与能级1 吸收光谱（吸收光谱（absorption spectrum)几个概念吸收光谱吸收光谱以被吸收的光子的以被吸收的光子的能量能量(波长、波数和能量波长、波数和能量eV)为横坐为横坐标，吸光度标，吸光度D或或 、log 为纵坐标，给出分子对具有不同能量为纵坐标，给出分子对具有不同能量光子的吸收特性。

光子的吸收特性吸光度被吸收的光子的能量(波长、。