發(fā)光材料與器件基礎_第三章課件

1、發(fā)光材料與器件基礎西安郵電學院電信系光電工程專業(yè)7/16/20221電信系光電工程專業(yè)第三章 光致發(fā)光過程及機理3.1 光致發(fā)光過程當外部光源如紫外光、可見光甚至激光照射到光致發(fā)光材料時，發(fā)光材料就會發(fā)射出如可見光、紫外光等，實際上光致發(fā)光材料的發(fā)光過程比較復雜，一般可以分為能量的吸收，輻射能量回到基態(tài)，能量傳遞等過程，即：（1） 基質晶格或激活劑（或稱發(fā)光中心）吸收激活能。（2） 基質晶格將吸收的激發(fā)能傳遞給激活劑。（3）被激活的激活劑發(fā)出熒光而返回基態(tài)，同時伴隨有部分 非發(fā)光躍遷，能量以熱的形式散發(fā)。 7/16/20222電信系光電工程專業(yè)3.1 光致發(fā)光過程A激發(fā)發(fā)射非發(fā)光躍遷熒光粉的光

2、致發(fā)光過程 A 激活劑SA能量傳遞激發(fā)發(fā)射能量從敏化劑向激活劑傳遞的發(fā)光過程 A 激活劑；S 敏化劑7/16/20223電信系光電工程專業(yè)3.2 位形坐標模型位形坐標模型位形坐標： 電子與晶格振動的總能量與離子平均位置的關系，采用簡諧近似模型 電子與聲子的相互作用 電子與聲子的相互作用能，即晶格弛豫能為 晶格弛豫能所折合的聲子數為 (黃昆因子)位形坐標模型與吸收和光發(fā)射過程示意圖Ug(R)：電子處于基態(tài)時的系統(tǒng)能量Ue(R)：電子處于激發(fā)態(tài)時的系統(tǒng)能量UUg(R)Ue(R)RR0r0ABCDFEv1u0v0u1R可表示電子與聲子作用的強弱7/16/20224電信系光電工程專業(yè)弗蘭克-康登(Fr

3、anck-Condon)原理Ug(R)：電子處于基態(tài)時的系統(tǒng)能量Ue(R)：電子處于激發(fā)態(tài)時的系統(tǒng)能量UUg(R)Ue(R)RR0r0ABCDFEv1u0v0u1R0A: 光吸收過程；AB: 晶格弛豫過程， B的位置與晶格溫度有關BC: 光子發(fā)射過程；CR0: 晶格弛豫過程；光吸收與光發(fā)射的Stokes頻移 從激發(fā)到發(fā)射，電子經歷兩次與離子晶格的作用，發(fā)射聲子散失能量，結果產生Stokes頻移。 由于躍遷時間晶格弛豫時間，電子豎直躍遷3.2 位形坐標模型7/16/20225電信系光電工程專業(yè)吸收光與發(fā)射光的譜線增寬Ug(R)：電子處于基態(tài)時的系統(tǒng)能量Ue(R)：電子處于激發(fā)態(tài)時的系統(tǒng)能量Ue(

4、R)UUg(R)RR0r0ABCDFEv1u0v0u1吸收發(fā)射振動能級的基態(tài)與激發(fā)態(tài)的波函數Rv=0v=nUR03.2 位形坐標模型7/16/20226電信系光電工程專業(yè)發(fā)射光譜的線型Ug(R)：電子處于基態(tài)時的系統(tǒng)能量Ue(R)：電子處于激發(fā)態(tài)時的系統(tǒng)能量UUg(R)Ue(R)RR0r0 rABCDFEv1u0v0u1r0、0：BC過程的發(fā)光頻率 r 、 ：DE過程的發(fā)光頻率 則發(fā)射光譜的半寬與激發(fā)態(tài)離子的位形差（CEF）另，B、D點振子出現的幾率為發(fā)光強度高斯分布3.2 位形坐標模型7/16/20227電信系光電工程專業(yè)吸收與發(fā)射光譜的溫度關系溫度對吸收譜的影響：溫度升高，體系處于基態(tài)中較

5、高振動能級u結果：譜線進一步加寬； 譜線紅移UUg(R)RR0r0ABCDFEv1u0v0u1Ug(R)：電子處于基態(tài)時的系統(tǒng)能量Ue(R)：電子處于激發(fā)態(tài)時的系統(tǒng)能量溫度對發(fā)射譜的影響：溫度升高，體系處于激發(fā)態(tài)中較高振動能級v結果：譜線進一步加寬； 譜線紅移 強度減弱?另與實驗結果一致！3.2 位形坐標模型7/16/20228電信系光電工程專業(yè)發(fā)射光譜的溫度猝滅Ug(R)：電子處于基態(tài)時的系統(tǒng)能量Ue(R)：電子處于激發(fā)態(tài)時的系統(tǒng)能量UUg(R)Ue(R)RR0r0ABCDFEv1u0v0u1v=v 若溫度升高，使體系處于激發(fā)態(tài)中振動能級v以上，激發(fā)態(tài)電子可無輻射地到達基態(tài)，再經晶格馳豫回到

6、基態(tài)的平衡位置。IE溫度猝滅的幾率E：猝滅激活能發(fā)光強度與溫度的關系其中：I0-低溫下的飽和發(fā)光強度 vR-輻射復合幾率3.2 位形坐標模型7/16/20229電信系光電工程專業(yè)3.3 發(fā)光的能帶理論 晶體材料呈現一定規(guī)律的周期性，內部原子存在較強的相互作用，導致原子能級的變化，許多相近能級構成能帶。某些無機物所以具有發(fā)光性能是與合成過程化合物（發(fā)光材料基質）晶格里產生的結構缺陷和雜質缺陷有關，這些缺陷局部地破壞了晶體內部的規(guī)則排列，從而形成缺陷能級。當外界光源照射時，電子就會在各種能級間躍遷，從而產生發(fā)光現象。（1）由于發(fā)光材料基質的熱歧化作用出現的結構缺陷所引起的發(fā)光叫非激活發(fā)光，這種發(fā)光

7、不需要摻加激活雜質。（2）在高溫下向基質晶格中摻入另一種元素的離子或原子時會出現雜質缺陷，由這種缺陷引起的發(fā)光叫激活發(fā)光，而激活雜質叫做激活劑。 7/16/202210電信系光電工程專業(yè) 紫外光能量可以直接被發(fā)光材料的發(fā)光中心吸收（激活劑或雜質吸收），也可以被發(fā)光材料的基質所吸收（本征吸收）。第一種情況下，吸收或伴有激活劑的電子殼層內的電子向較高能級的躍遷，或電子與激活劑完全脫離及激活劑躍遷到離化態(tài)（形成“空穴”）；第二種情況下，基質吸收能量時，在基質中形成空穴和電子，空穴可能沿著晶格移動，并被束縛在各個發(fā)光中心上。 輻射是由于電子返回較低能態(tài)或電子與空穴復合所致。某些材料的發(fā)光只與發(fā)光中心的電子躍遷有關，這種發(fā)光材料叫做“特征型”發(fā)光材料，過渡元素和稀土金屬離子都是這種發(fā)光材料的激活劑。3.3 發(fā)光的能帶理論7/16/202211電信系光電工程專業(yè)3.3 發(fā)光的能帶理論價 帶導 帶1234567A1A2A3半導體型發(fā)光材料的能帶圖A1 基態(tài)A2 激發(fā)態(tài)A3 缺陷態(tài)7/16/202212電信系光電工程專業(yè)3.