發(fā)光材料與器件基礎(chǔ)演示文稿

發(fā)光材料與器件基礎(chǔ)演示文稿現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/20231電信系光電工程專業(yè)優(yōu)選發(fā)光材料與器件基礎(chǔ)現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/20232電信系光電工程專業(yè)第二章發(fā)光材料基本概念2.1發(fā)光材料

固體的光性質(zhì)，從本質(zhì)上講，就是固體和電磁波的相互作用，這涉及晶體對(duì)光輻射的反射和吸收，晶體在光作用下的發(fā)光，光在晶體中的傳播和作用以及光電作用、光磁作用等。基于這些性質(zhì)，可以開發(fā)出光學(xué)晶體材料、光電材料、發(fā)光材料、激光材料以及各種光功能轉(zhuǎn)化材料等。在本章中，我們從固體對(duì)光的吸收的本質(zhì)開始，然后介紹光電材料、發(fā)光材料和激光材料等?，F(xiàn)在是3頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/20233電信系光電工程專業(yè)2.1發(fā)光材料發(fā)光材料的定義發(fā)光材料又稱發(fā)光體，是一種能夠把從外界吸收的各種形式的能量轉(zhuǎn)換為非平衡光輻射的功能材料。光輻射有平衡輻射和非平衡輻射兩大類，即熱輻射和發(fā)光。任何物體只要具有一定溫度，則該物體必定具有與此溫度下處于熱平衡狀態(tài)的輻射。非平衡輻射是指在某種外界作用的激發(fā)下，體系偏離原來(lái)的平衡態(tài)，如果物體在回復(fù)到平衡態(tài)的過(guò)程中，其多余的能力以光輻射的形式釋放出來(lái)，則稱發(fā)光。因此發(fā)光是一種疊加在熱輻射背景上的非平衡輻射，其持續(xù)時(shí)間要超過(guò)光的振動(dòng)周期?，F(xiàn)在是4頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/20234電信系光電工程專業(yè)2.1發(fā)光材料固體發(fā)光的基本特征任何物體在一定溫度下都具有平衡熱輻射，而發(fā)光是指吸收外來(lái)能量后，發(fā)出的總輻射中超出平衡熱輻射的部分。(2)當(dāng)外界激發(fā)源對(duì)材料的作用停止后，發(fā)光還會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，稱為余輝。一般10e-8為界限，短于為熒光，長(zhǎng)于為磷光。現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/20235電信系光電工程專業(yè)2.2固體光吸收的本質(zhì)

導(dǎo)帶價(jià)帶能隙（禁帶）我們先討論純凈物質(zhì)對(duì)光的吸收。

基礎(chǔ)吸收或固有吸收固體中電子的能帶結(jié)構(gòu)，絕緣體和半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)如圖5.1所示，其中價(jià)帶相當(dāng)于陰離子的價(jià)電子層，完全被電子填滿。導(dǎo)帶和價(jià)帶之間存在一定寬度的能隙（禁帶），在能隙中不能存在電子的能級(jí)。這樣，在固體受到光輻射時(shí)，如果輻射光子的能量不足以使電子由價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶，那么晶體就不會(huì)激發(fā)，也不會(huì)發(fā)生對(duì)光的吸收。現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/20236電信系光電工程專業(yè)

例如，離子晶體的能隙寬度一般為幾個(gè)電子伏，相當(dāng)于紫外光的能量。因此，純凈的理想離子晶體對(duì)可見光以至紅外區(qū)的光輻射，都不會(huì)發(fā)生光吸收，都是透明的。堿金屬鹵化物晶體對(duì)電磁波透明的波長(zhǎng)可以由~25μm到250nm，相當(dāng)于0.05~5ev的能量。當(dāng)有足夠強(qiáng)的輻射（如紫光）照射離子晶體時(shí)，價(jià)帶中的電子就有可能被激發(fā)跨過(guò)能隙，進(jìn)入導(dǎo)帶，這樣就發(fā)生了光吸收。這種與電子由價(jià)帶到導(dǎo)帶的躍遷相關(guān)的光吸收，稱作基礎(chǔ)吸收或固有吸收。例如，CaF2的基礎(chǔ)吸收帶在200nm(約6ev)附近，NaCl的基礎(chǔ)吸收約為8ev，Al2O3的基礎(chǔ)吸收約在9ev。2.2固體光吸收的本質(zhì)現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/20237電信系光電工程專業(yè)導(dǎo)帶價(jià)帶能隙(禁帶）激子能級(jí)

激子吸收

除了基礎(chǔ)吸收以外，還有一類吸收，其能量低于能隙寬度，它對(duì)應(yīng)于電子由價(jià)帶向稍低于導(dǎo)帶底處的的能級(jí)的躍遷有關(guān)。這些能級(jí)可以看作是一些電子-空穴（或叫做激子，excition）的激發(fā)能級(jí)（圖5.2）處于這種能級(jí)上的電子，不同于被激發(fā)到導(dǎo)帶上的電子，不顯示光導(dǎo)電現(xiàn)象，它們和價(jià)帶中的空穴偶合成電子-空穴對(duì)，作為整體在晶體中存在著或運(yùn)動(dòng)著，可以在晶體中運(yùn)動(dòng)一段距離（~1μm）后再?gòu)?fù)合湮滅。2.2固體光吸收的本質(zhì)現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/20238電信系光電工程專業(yè)缺陷存在時(shí)晶體的光吸收晶體的缺陷有本征的，如填隙原子和空位，也有非本征的，如替代雜質(zhì)等。這些缺陷的能級(jí)定于在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能隙之中。當(dāng)材料受到光照時(shí)，受主缺陷能級(jí)接受價(jià)帶遷移來(lái)的電子，而施主能級(jí)上的電子可以向?qū)нw移，這樣就使原本不能發(fā)生基礎(chǔ)吸收的物質(zhì)由于缺陷存在而發(fā)生光吸收，圖5.3給出了各種光吸收的情況。

C→V過(guò)程

在高溫下發(fā)生的電子由價(jià)帶向?qū)У能S遷。

E→V過(guò)程

這是激子衰變過(guò)程。這種過(guò)程只發(fā)生在高純半導(dǎo)體和低溫下，這時(shí)KT不大于激子的結(jié)合能?？赡艽嬖趦煞N明確的衰變過(guò)程：自由激子的衰變和束縛在雜質(zhì)上的激子的衰變。2.2固體光吸收的本質(zhì)現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/20239電信系光電工程專業(yè)

D→V過(guò)程

這一過(guò)程中，松弛的束縛在中性雜質(zhì)上的電子和一個(gè)價(jià)帶中的空穴復(fù)合，相應(yīng)躍遷能量是Eg—ED。例如對(duì)GaAs來(lái)說(shuō)，低溫下的Eg為1.1592ev，許多雜質(zhì)的ED為0.006ev，所以D→V躍遷應(yīng)發(fā)生在1.5132ev處。因此，發(fā)光光譜中在1.5132ev處出現(xiàn)的譜線應(yīng)歸屬于這種躍遷。具有較大的理化能的施主雜質(zhì)所發(fā)生的D→V躍遷應(yīng)當(dāng)?shù)陀谀芟逗芏啵@就是深施主雜質(zhì)躍遷D→V過(guò)程。2.2固體光吸收的本質(zhì)現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/202310電信系光電工程專業(yè)

C→A過(guò)程

本征半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的一個(gè)電子落在受主雜質(zhì)原子上，并使受主雜質(zhì)原子電離化，這個(gè)過(guò)程的能量為Eg—EA。例如對(duì)GaAs來(lái)說(shuō)，許多受主雜質(zhì)的EA為0.03ev，所以C→A過(guò)程應(yīng)發(fā)生在1.49ev處。實(shí)際上，在GaAs的發(fā)光光譜中，已觀察到1.49ev處的弱發(fā)光譜線，它應(yīng)當(dāng)歸屬于自由電子-中性受主雜質(zhì)躍遷。導(dǎo)帶電子向深受主雜質(zhì)上的躍遷，其能量小于能隙很多，這就是深受主雜質(zhì)躍遷C→A過(guò)程。2.2固體光吸收的本質(zhì)現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/202311電信系光電工程專業(yè)

D→A過(guò)程

如果同一半導(dǎo)體材料中，施主和受主雜質(zhì)同時(shí)存在，那么可能發(fā)生中性施主雜質(zhì)給出一個(gè)電子躍遷到受主雜質(zhì)上的過(guò)程，這就是D→A過(guò)程.。發(fā)生躍遷后，施主和受主雜質(zhì)都電離了，它們之間的結(jié)合能為：Eb=-e2/4πεKr2.1該過(guò)程的能量為：Eg—ED—EA—Eb。2.2固體光吸收的本質(zhì)現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/202312電信系光電工程專業(yè)無(wú)機(jī)離子固體的禁帶寬度較大，一般為幾個(gè)電子伏特，相當(dāng)于紫外光區(qū)的能量。因此，當(dāng)可見光以至紅外光輻照晶體時(shí)，如此的能量不足以使其電子越過(guò)能隙，由價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶。所以，晶體不會(huì)被激發(fā)，也不會(huì)發(fā)生光的吸收，晶體都是透明的。而當(dāng)紫外光輻照晶體時(shí)，就會(huì)發(fā)生光的吸收，晶體變得不透明。禁帶寬度Eg和吸收波長(zhǎng)λ的關(guān)系為Eg=hν=hc/λλ=hc/Eg

式中h為普朗克常數(shù)6.63×10-34J·s，c為光速。

然而如前所述，在無(wú)機(jī)離子晶體中引入雜質(zhì)離子后，雜質(zhì)缺陷能級(jí)和價(jià)帶能級(jí)之間會(huì)發(fā)生電子-空穴復(fù)合過(guò)程，其相應(yīng)的能量就會(huì)小于間帶寬度Eg，往往落在可見光區(qū)，結(jié)果發(fā)生固體的光吸收。例如，Al2O3晶體中Al3+和O2-離子以靜電引力作用，按照六方密堆方式結(jié)合在一起，Al3+和O2-離子的基態(tài)能級(jí)為填滿電子的的封閉電子殼層，其能隙為9ev，它不可能吸收可見光，所以是透明的。2.2固體光吸收的本質(zhì)現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/202313電信系光電工程專業(yè)如果在其中摻入0.1%的Cr3+時(shí)，晶體呈粉紅色，摻入1%的Cr3+時(shí)，晶體呈深紅色，此即紅寶石，可以吸收可見光，并發(fā)出熒光。這是由于摻入的Cr3+離子具有填滿電子的殼層，在Al2O3晶體中造成了一部分較低的激發(fā)態(tài)能級(jí)，可以吸收可見光。實(shí)際上，該材料就是典型的激光材料，我們?cè)诒菊轮羞€會(huì)討論。雜質(zhì)原子在無(wú)機(jī)絕緣體中光學(xué)性質(zhì)的研究范圍十分廣泛，作為基質(zhì)材料的化合物有堿金屬鹵化物、堿土金屬鹵化物、Ⅱ-Ⅳ族化合物、氧化物、鎢酸鹽、鉬酸鹽、硅酸鹽、金剛石和玻璃體等。而摻入作為光學(xué)活性中心的雜質(zhì)離子多數(shù)為過(guò)渡金屬和稀土金屬離子等。圖5.4給出了離子晶體的各種吸收光譜示意。2.2固體光吸收的本質(zhì)現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/202314電信系光電工程專業(yè)

圖2.4離子晶體的各種吸收光譜示意2.2固體光吸收的本質(zhì)現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/202315電信系光電工程專業(yè)半導(dǎo)體的光吸收和光導(dǎo)電現(xiàn)象

1.本征半導(dǎo)體的光吸收

本征半導(dǎo)體的電子能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體類似，全部電子充填在價(jià)帶，且為全滿，而導(dǎo)帶中沒有電子，只是價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能隙較小，約為1ev。在極低溫度下，電氣全部處在價(jià)帶中，不會(huì)沿任何方向運(yùn)動(dòng)，是絕緣體，其光學(xué)性質(zhì)也和前述的絕緣體一樣。當(dāng)溫度升高，一些電子可能獲得充分的能量而跨過(guò)能隙，躍遷到原本空的導(dǎo)帶中。這時(shí)價(jià)帶中出現(xiàn)空能級(jí)，導(dǎo)帶中出現(xiàn)電子，如果外加電場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)電現(xiàn)象。因此，室溫下半導(dǎo)體材料的禁帶寬度決定材料的性質(zhì)。本征半導(dǎo)體的光吸收和發(fā)光，一般說(shuō)來(lái)都源于電子跨越能隙的躍遷，即直接躍遷。價(jià)帶中的電子吸收一定波長(zhǎng)的可見光或近紅外光可以相互脫離而自行漂移，并參與導(dǎo)電，即產(chǎn)生所謂光導(dǎo)電現(xiàn)象。當(dāng)導(dǎo)帶中的一個(gè)電子與價(jià)帶中的一個(gè)空穴復(fù)合時(shí)，就會(huì)發(fā)射出可見光的光子，這就是所謂光致發(fā)光現(xiàn)象。2.2固體光吸收的本質(zhì)現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/202316電信系光電工程專業(yè)

2.非本征半導(dǎo)體的光吸收

摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)有三類：施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)和等電子雜質(zhì)。這些雜質(zhì)的能級(jí)定域在能隙中，就構(gòu)成了圖5.3所示的各種光吸收躍遷方式。等電子雜質(zhì)的存在可能成為電子和空穴復(fù)合的中心，會(huì)對(duì)材料的發(fā)光產(chǎn)生影響，單獨(dú)的施主和受主雜質(zhì)不會(huì)影響到材料的光學(xué)性質(zhì)。這是因?yàn)橹挥挟?dāng)激發(fā)態(tài)電子越過(guò)能隙與空穴復(fù)合時(shí)，才會(huì)發(fā)生半導(dǎo)體的發(fā)光。譬如，n型半導(dǎo)體可以向?qū)峁┳銐虻碾娮樱趦r(jià)帶中沒有空穴，因此不會(huì)發(fā)光。同樣，p型半導(dǎo)體價(jià)帶中有空穴，但其導(dǎo)帶中卻沒有電子，因此也不會(huì)發(fā)光。如果將n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成一個(gè)p-n結(jié)，那么可以在p-n結(jié)處促使激發(fā)態(tài)電子（來(lái)自n型半導(dǎo)體導(dǎo)帶）和空穴（來(lái)自p型半導(dǎo)體價(jià)帶）復(fù)合。我們?cè)趐-n結(jié)處施加一個(gè)正偏向壓，可以將n區(qū)的導(dǎo)帶電子注入到p區(qū)的價(jià)帶中，在那里與空穴復(fù)合，從而產(chǎn)生光子輻射。這種發(fā)光值發(fā)生在p-n結(jié)上，故稱作注入結(jié)型發(fā)光。這是一種電致發(fā)光，是發(fā)光二極管工作的基本過(guò)程。圖5.5示意出p-n結(jié)注入發(fā)光的原理示意。2.2固體光吸收的本質(zhì)現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/202317電信系光電工程專業(yè)這種降低壓電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣獾姆椒ㄊ呛芊奖愕?，已?jīng)用于制作發(fā)光二極管和結(jié)型激光器。利用半導(dǎo)體材料GaAs1-xPx的可調(diào)正x值來(lái)改變能隙，從而制作出從發(fā)紅光到發(fā)綠光的各種顏色的發(fā)光二極管。也可以利用相反過(guò)程，用大于能隙寬度的能量的光照射p-n結(jié)，半導(dǎo)體吸收光能，電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，價(jià)帶中產(chǎn)生空穴。P區(qū)的電子向n區(qū)移動(dòng)，n區(qū)的空穴向p區(qū)移動(dòng)，結(jié)果產(chǎn)生電荷積累，P區(qū)帶正電，n區(qū)帶負(fù)電，如果外接電路，電路中就會(huì)有電流通過(guò)。利用這種原理可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。例如，將n型半導(dǎo)體CdS上電析一層p型半導(dǎo)體Cu2S形成p-n結(jié)，就可以制成高性能的太陽(yáng)能電池。（a）未加正偏壓的p-n結(jié)（b）加正偏壓的p-n結(jié)圖2.5p-n結(jié)注入發(fā)光過(guò)程示意2.2固體光吸收的本質(zhì)現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/202318電信系光電工程專業(yè)3.光導(dǎo)電現(xiàn)象

在晶體對(duì)光的基礎(chǔ)吸收中，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子和空穴成為載流子，對(duì)晶體的電導(dǎo)作出貢獻(xiàn)。在晶體的雜質(zhì)吸收中，激發(fā)到導(dǎo)帶中的電子可以參與導(dǎo)電，但留下來(lái)的空穴被束縛在雜質(zhì)中心，不能參與導(dǎo)電。這樣的空穴俘獲鄰近的電子而復(fù)合。當(dāng)價(jià)帶電子受光激發(fā)到雜質(zhì)中心時(shí)，價(jià)帶中產(chǎn)生的空穴可以參與導(dǎo)電。圖5.6表示光導(dǎo)電晶體中載流子的生成和消失:（a）表示電子和空穴的生成，（b）表示電子和空穴的復(fù)合，（c）表示晶體的禁帶中存在陷阱及其載流子的生成。圖2.6光導(dǎo)電晶體中載流子的生成和消失

2.2固體光吸收的本質(zhì)現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/202319電信系光電工程專業(yè)圖中的AgBr光導(dǎo)電流隨電壓的變化（-185℃，照射光波長(zhǎng)546nm，強(qiáng)度6.5×1010個(gè)光子/秒）當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí)，改變光的強(qiáng)度會(huì)對(duì)光導(dǎo)電流產(chǎn)生影響。一般地，光導(dǎo)電流強(qiáng)度與光強(qiáng)成正比變化。AgBr的光導(dǎo)電流隨電壓的變化這樣有光輻射激發(fā)產(chǎn)生的載流子，一方面在負(fù)荷中心消失掉，另一方面在電場(chǎng)作用下可以移動(dòng)一段距離后，再被陷阱俘獲。如果外電場(chǎng)強(qiáng)度大，則載流子再被陷阱所俘獲之前在晶體中飄移的距離長(zhǎng)、光電流強(qiáng)，但會(huì)有一個(gè)飽和值（即初級(jí)光電流的最大值），圖2.7為AgBr的情況。2.2固體光吸收的本質(zhì)現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/202320電信系光電工程專業(yè)利用半導(dǎo)體的光導(dǎo)電效應(yīng)，把光的信息轉(zhuǎn)化為電的信息，這在現(xiàn)代技術(shù)和日常生活中已得到廣泛應(yīng)用。例如，對(duì)可見光敏感的CdS用于照相機(jī)的自動(dòng)曝光機(jī)規(guī)定曝光時(shí)間的自動(dòng)裝置，半導(dǎo)體硒應(yīng)用在靜電復(fù)印機(jī)上；利用對(duì)紅外線敏感的PbS、PbSe、PbTe等制成紅外線探測(cè)器、傳感器等。2.2固體光吸收的本質(zhì)現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/202321電信系光電工程專業(yè)1．激發(fā)源和發(fā)光材料分類發(fā)光（Luminescence）一般用來(lái)描述某些固體材料由于吸收能量而隨之發(fā)生的發(fā)射光現(xiàn)象。發(fā)光可以以激發(fā)光源類型的不同劃分為如下發(fā)光類型：光致發(fā)光（Photoluminescence）：以光子或光為激發(fā)光源，常用的有紫外光作激發(fā)源。電致發(fā)光（Electroluminescence）：以電能作激發(fā)源。陰極致發(fā)光（Cathodoluminescence）：使用陰極射線或電子束為激發(fā)源。2．發(fā)光材料的特性一般而言，對(duì)發(fā)光材料的特性有三個(gè)要求：發(fā)光材料的顏色發(fā)光材料有彼此不同的顏色。發(fā)光材料的顏色可通過(guò)不同方法來(lái)表征。2.3固體的發(fā)光和發(fā)光材料現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/202322電信系光電工程專業(yè)發(fā)射光譜和吸收光譜是研究中應(yīng)用比較多的方法。吸收光譜是材料激發(fā)時(shí)所對(duì)應(yīng)的光譜，相應(yīng)吸收峰的波長(zhǎng)就是激發(fā)時(shí)能量對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)，如圖5.8所示ZnS:Cu的吸收譜帶。發(fā)射光譜反映發(fā)光材料輻射光的情況，對(duì)應(yīng)譜峰的波長(zhǎng)就是發(fā)光的顏色，，一般說(shuō)來(lái)其波長(zhǎng)大于吸收光譜的波長(zhǎng)，如圖5.9所示，1圖為Zn2SiO4：Mn的發(fā)射光譜，圖2為其吸收光譜。發(fā)光材料的發(fā)射光譜和吸收光譜2.3固體的發(fā)光和發(fā)光材料光致發(fā)光材料的吸收光譜現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/202323電信系光電工程專業(yè)顏色的單色性從材料的發(fā)射光譜來(lái)看，發(fā)射譜峰的寬窄也是發(fā)光材料的重要特性，譜峰越窄，發(fā)光材料的單色性越好，反之亦然。我們將譜峰1/2高度時(shí)縫的寬度稱作半寬度。如圖5.10所示。依照發(fā)射峰的半寬度可將發(fā)光材料還分為3種類型：寬帶材料：半寬度~100nm，如CaWO4；窄帶材料：半寬度~50nm，如Sr(PO4)2Cl：Eu3+；線譜材料：半寬度~0.1nm，如GdVO4)：Eu3+；發(fā)射峰的半寬度發(fā)光材料究竟屬于哪一類，既與基質(zhì)有關(guān)，又與雜質(zhì)有關(guān)。例如，將Eu2+摻雜在不同的基質(zhì)中，可以得到上述3種類型的發(fā)光材料，而且隨著基質(zhì)的改變，發(fā)光的顏色也可以改變。半寬度2.3固體的發(fā)光和發(fā)光材料現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/202324電信系光電工程專業(yè)發(fā)光效率

發(fā)光材料的另一個(gè)重要特性是其發(fā)光強(qiáng)度，發(fā)光強(qiáng)度也隨激發(fā)強(qiáng)度而改變。通常用發(fā)光效率來(lái)表征材料的發(fā)光本領(lǐng)，有3種表示方法：量子效率

發(fā)射物質(zhì)輻射的量子數(shù)N發(fā)光與激發(fā)光源輸入的量子數(shù)N吸收（如果是光致發(fā)光則是光子數(shù)；如系電子發(fā)光，則是電子數(shù)。余類推）的比值：B量子=N發(fā)光/N吸收

能量效率

發(fā)光能量與激發(fā)源輸入能量之間的比值B量子=E發(fā)光/E吸收

如果是光致發(fā)光，又與E=hν，所以能量效率還可以表示如下：B量子=E發(fā)光/E吸收=hν發(fā)光/hν吸收=ν發(fā)光/ν吸收

光度效率

發(fā)光的流明數(shù)與激發(fā)源輸入流明數(shù)的比值：B量子=光度發(fā)光/光度吸收2.3固體的發(fā)光和發(fā)光材料現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/202325電信系光電工程專業(yè)余輝

發(fā)光材料的一個(gè)重要特性是它的發(fā)光持續(xù)時(shí)間。依發(fā)光持續(xù)時(shí)間，我們可應(yīng)將發(fā)光區(qū)分為熒光和磷光：熒光（Fluorescence）：激發(fā)和發(fā)射兩個(gè)過(guò)程之間的間隙極短，約為<10-8秒。只要光源一離開，熒光就會(huì)消失。磷光（Phosphorescence）：在激發(fā)源離開后，發(fā)光還會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間。還可以用余輝來(lái)表示物質(zhì)發(fā)光的持續(xù)時(shí)間。余輝的定義為：當(dāng)激發(fā)光停止時(shí)的發(fā)光亮度（或強(qiáng)度）J0衰減到J0的10%時(shí)，所經(jīng)歷的時(shí)間稱為余輝時(shí)間，簡(jiǎn)稱余輝。根據(jù)余輝可將發(fā)光材料分為六個(gè)范圍：極短余輝<1μs短余輝1~10μs中短余輝10-2~1ms中余輝1~100ms長(zhǎng)余輝0.1~1s極長(zhǎng)余輝>1s2.3固體的發(fā)光和發(fā)光材料現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/202326電信系光電工程專業(yè)色坐標(biāo)

發(fā)光材料的顏色在商品上主要用所謂色坐標(biāo)來(lái)表示。我們知道，平常所看到的顏色都可以用紅、綠、藍(lán)3種彼此獨(dú)立的基色匹配而成。但在匹配某種顏色時(shí)，不是將3種顏色疊加起來(lái)，而是從2種顏色疊加的結(jié)果中減去第3種顏色。所以，國(guó)際照明協(xié)會(huì)決定選取一組三基色參數(shù)x、y、z，時(shí)的顏色匹配過(guò)程中只有疊加的辦法，稱作（x、y、z系統(tǒng)）。任何一種顏色Q在這種系統(tǒng)中表示為：這3個(gè)系數(shù)的相對(duì)值為：x=y=z=稱作色坐標(biāo)。由于x+y+z=1，所以如果x、y確定了，z值也就定了，因此可以用一個(gè)平面圖來(lái)表示各種顏色。下圖就給出了這種顏色坐標(biāo)圖。其中，給出了各種顏色的位置，周圍曲線上的坐標(biāo)相當(dāng)于單色光。這樣任何一種顏色均可用坐標(biāo)x、y來(lái)表征。2.3固體的發(fā)光和發(fā)光材料現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/202327電信系光電工程專業(yè)顏色坐標(biāo)圖2.3固體的發(fā)光和發(fā)光材料xy00.10.20.30.40.50.60.70.800.10.20.30.40.50.60.70.90770580570560510520550530540500490480380wavelength(nm)60020000K10000K7000K5000K3000K2000KAD65現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/202328電信系光電工程專業(yè)熒光和磷光

1．光致發(fā)光材料的基本組成光致發(fā)光材料一般需要一種基質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)，例如ZnS、CaWO4和Zn2SiO4等，在摻入少量的諸如Mn2+、Sn2+、Pb2+、Eu2+那樣的陽(yáng)離子。這些陽(yáng)離子往往是發(fā)光活性中心，稱作激活劑（Activators）。有時(shí)還需要摻入第2類型的雜質(zhì)陽(yáng)離子，稱作敏活劑（Sensitizer）。圖5.12說(shuō)明一般熒光體和磷光體的發(fā)光機(jī)制。一般說(shuō)來(lái)，發(fā)光固體吸收了激活輻射的能量hν，發(fā)射出能量為hν’的光，而ν’總小于ν，即發(fā)射光波長(zhǎng)比激活光的波長(zhǎng)要增大λ’>λ。這種效應(yīng)稱作斯托克位移（Stokesshift）。具有這種性質(zhì)的磷光體稱作斯托克磷光體。(a)(b)2.3固體的發(fā)光和發(fā)光材料現(xiàn)在是29頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/202329電信系光電工程專業(yè)2.光致發(fā)光原理：

位形坐標(biāo)模型（ConfigurationalCoordinateModelCCM）

晶體中的離子其吸收光譜與發(fā)射光譜與自由離子不同。自由離子的吸收光譜與發(fā)射光譜的能量相同，并且都是窄帶譜或銳線譜（0.01cm-1）。而晶體中離子的發(fā)射光譜的能量均低于吸收光譜的能量，并且是寬帶譜。這是由于晶格振動(dòng)對(duì)離子的影響所致。與發(fā)光中心相聯(lián)系的電子躍遷可以和基質(zhì)晶體中的原子（離子）交換能量，發(fā)光中心離子與周圍晶格離子之間的相對(duì)位置、振動(dòng)頻率以及中心離子的能級(jí)受到晶體勢(shì)場(chǎng)影響等。因此，應(yīng)當(dāng)把激活劑離子及其周圍晶格離子看作一個(gè)整體來(lái)考慮。相對(duì)來(lái)說(shuō)，由于原子質(zhì)量比電子大得多，運(yùn)動(dòng)也慢得多，故在電子躍遷中，可以認(rèn)為晶體中原子間的相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)速率是恒定不變的（即弗蘭克-康登原理Franke-Condon）。這樣，就可以采用一種所謂的位形坐標(biāo)來(lái)討論發(fā)光中心的吸收和發(fā)射過(guò)程。2.3固體的發(fā)光和發(fā)光材料現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/202330電信系光電工程專業(yè)

所謂位形坐標(biāo)圖，就是用縱坐標(biāo)表示晶體中發(fā)光中心的勢(shì)能，其中包括電子和離子的勢(shì)能以及相互作用在內(nèi)的整個(gè)體系的能量；橫坐標(biāo)則表示中心離子和周圍離子的位形（Configration），其中包括離子之間相對(duì)位置等因素在內(nèi)的一個(gè)籠統(tǒng)的位置概念。一般的也可代用粒子間核間距作橫坐標(biāo)。圖5.13是發(fā)光中心基態(tài)的位形坐標(biāo)示意圖。圖中連續(xù)的曲線表示勢(shì)能作為發(fā)光中心離子核間距函數(shù)的定量變化關(guān)系，它在平衡距離re處有一個(gè)極小值，水平線ν0、ν1、ν2……表示粒子在基態(tài)具有的不同量子振動(dòng)態(tài)。發(fā)光中心基態(tài)的勢(shì)能圖2.3固體的發(fā)光和發(fā)光材料現(xiàn)在是31頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/202331電信系光電工程專業(yè)依照弗蘭克-康登原理，這個(gè)過(guò)程體系能量從A垂直上升到B，而離子的位形基本不變。但在激發(fā)態(tài)，由于離子松弛（即位形改變），電子以熱能形式散射一部分能量返到新激發(fā)態(tài)能級(jí)C形成新的活性中心。那么，發(fā)光過(guò)程就是電子從活化中心C回到原來(lái)基態(tài)A或D。顯然，激活過(guò)程能量ΔEAB>ΔECA或ΔECD。這就解釋了斯托克位移。

發(fā)光中心基態(tài)和激發(fā)態(tài)的勢(shì)能圖

應(yīng)用之一:解釋斯托克位移圖2.14給出了基態(tài)和激發(fā)態(tài)的位形示意圖，由此可以解釋發(fā)光的許多特性。激活過(guò)程包括電子從基態(tài)能級(jí)A躍遷到激發(fā)態(tài)的較高能級(jí)B產(chǎn)生一個(gè)活性中心。2.3固體的發(fā)光和發(fā)光材料現(xiàn)在是32頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/202332電信系光電工程專業(yè)應(yīng)用之二:解釋發(fā)光“熱淬滅”效應(yīng)任何發(fā)光材料，當(dāng)溫度升高到一定溫度時(shí)，發(fā)光強(qiáng)度會(huì)顯著降低。這就是所謂的發(fā)光“熱淬滅”效應(yīng)（Thermalquenchingeffect）。利用圖2.14可以解釋這一現(xiàn)象。在圖中，基態(tài)和激發(fā)態(tài)的勢(shì)能曲線交叉于E點(diǎn)。在該點(diǎn)，激發(fā)態(tài)的離子在能量不改變的情況下就可以回到基態(tài)（E也是基態(tài)勢(shì)能曲線上的一點(diǎn)），然后再通過(guò)一系列的改變振動(dòng)回到基態(tài)的低能級(jí)上去。因此，E點(diǎn)代表一個(gè)“溢出點(diǎn)”（SpillorerPoint）。如果處于激發(fā)態(tài)的離子能獲得足夠的振動(dòng)能而達(dá)到E點(diǎn)，它就溢出了基態(tài)的振動(dòng)能級(jí)。如果這樣，全部能量就都以振動(dòng)能的形式釋放出來(lái)，因而沒有發(fā)光產(chǎn)生。顯然，E點(diǎn)的能量是臨界的。一般說(shuō)來(lái)，溫度升高，離子熱能增大，依次進(jìn)入較高振動(dòng)能級(jí)，就可能達(dá)到E點(diǎn)。2.3固體的發(fā)光和發(fā)光材料現(xiàn)在是33頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/202333電信系光電工程專業(yè)應(yīng)用之三：解釋非輻射躍遷另外，在吸收了光以后，離子晶格有一定弛豫，故平衡位置re只有統(tǒng)計(jì)平均的意義，實(shí)際上是一個(gè)極小的區(qū)間，因此吸收光譜就包括許多頻率（或波長(zhǎng)）而形成寬帶。這就是固體中離子光譜呈帶狀的原因。在上述熱淬滅現(xiàn)象的那種情況中，激發(fā)離子通過(guò)把振動(dòng)能傳遞給環(huán)境——基質(zhì)晶格，而失掉了其剩余的能量，返回到較低的能級(jí)上。這種躍遷過(guò)程不發(fā)射電磁波，即光，因而稱為非輻射躍遷（nonrediativetransition）.類似這種非輻射躍遷，在敏活磷光體的機(jī)制中還包括一類非輻射能量傳遞（nonrediativeenergytransition）。圖2.15說(shuō)明這種情況。發(fā)生這種能量傳遞的必要條件是：（a）敏活劑和激活劑離子在激發(fā)態(tài)具有相近的能級(jí)；（b）敏活劑和激活劑離子與基質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)是相近的。在發(fā)光過(guò)程中，激活源輻照使敏活離子躍遷到激發(fā)態(tài)，這些敏活離子又把能量傳遞給鄰近的激活離子。在傳遞過(guò)程中幾乎沒有能量損失，同時(shí)敏活離子返回它的基態(tài)，最后激活離子發(fā)光返回基態(tài)。2.3固體的發(fā)光和發(fā)光材料現(xiàn)在是34頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/202334電信系光電工程專業(yè)圖2.15

應(yīng)用之四：解釋“毒物”作用

某些雜質(zhì)對(duì)發(fā)光材料有“毒物”作用，激發(fā)光因材料含有毒物而淬滅。毒物效應(yīng)往往是以非輻射能傳遞方式起作用的：能量或從敏活劑或激活劑傳遞到毒物上，而后者將能量以振動(dòng)能散射到基質(zhì)晶格中，以致活性中心不能發(fā)光。具有非輻射躍遷的離子有Fe3+、Co2+、Ni2+等，因而在制備磷光材料中應(yīng)當(dāng)杜絕這些雜質(zhì)的存在。2.3固體的發(fā)光和發(fā)光材料現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有39頁(yè)\編輯于星期五4/20/202335電信系光電工程專業(yè)3.反斯托克（nati-stokes）磷光體

新的一類引起廣泛興趣的發(fā)光材料是反斯托克磷光體。這種材料的特點(diǎn)是能發(fā)射出高于激活輻照能量的光譜。利用這種磷光體就可能將紅外光轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芰康目梢姽?，這是具有重要意義的，可以用于紅外攝像和監(jiān)測(cè)儀等。反斯托克磷光體研究較為透徹的材料之一是以YF3·NaLa(WO4)2和α-NaYF4等為基質(zhì)，以Yb3+為敏化