電致發(fā)光及其器件

電致發(fā)光及其器件專題處于激發(fā)態(tài)的分子、晶體和非晶態(tài)物質(zhì)在退激過程中會產(chǎn)生輻射，即發(fā)光。根據(jù)其受激的方式，這種激發(fā)態(tài)發(fā)光可以分為三種形式：光致發(fā)光（photoluminescence，PL）電致發(fā)光（electroluminescence，EL）陰極發(fā)光（cathodeluminescence，CL）一種是撞擊式電致發(fā)光：電壓直接或間接加在電極之間而引起的發(fā)光，如通常日光燈的發(fā)光。另一種是電荷注入電致發(fā)光：電壓加在直接固定于單晶半導體(如GaAs)PN結(jié)的電極上，由于載流子的注入而引起發(fā)光，如通常發(fā)光二極管(LED)的發(fā)光。電致發(fā)光的兩種類型:電致發(fā)光是電能轉(zhuǎn)化為光能的過程。人們曾經(jīng)將這種ELD和光導膜結(jié)合，用于光放大器和x射線增強器，1960年在日本曾用于電視成像。電致發(fā)光的歷史：無機電致發(fā)光：無機EL的優(yōu)點是穩(wěn)定性高；缺點是短波發(fā)光有待開發(fā)，作為顯像管體積太大，大面積平板顯示器制作工藝上有困難，發(fā)光顏色不易改變，很難提供全色顯示等。1936年：基于ZnS構(gòu)造了第一個粉末電致發(fā)光磷光體(phosphor)；并制造了第一個有效的摻Mn的ZnS薄膜電致發(fā)光顯示裝置(ELD)。在無機電致發(fā)光化合物中，目前主要的方向是發(fā)展摻雜稀土元素的多色顯示材料。這種材料廣泛應用于視頻器件、音響設備和測控儀器中，并已取得了令人矚目的成就。1962年：美國通用電氣公司發(fā)明第一個無機半導體GaAsP的商品化光發(fā)射二極管(LED)。有機電致發(fā)光：1963年，Pope研究了蒽單晶片（10~20微米）的電致發(fā)光，當時，需要400V的電壓才能觀察到蒽的藍色熒光；之后的研究將電壓降低到100V左右，獲得5%光子/電子的外量子效率；1982年用真空蒸鍍制成了50nm厚的蒽薄膜，進一步將電壓降到30V，觀察到了藍色熒光，但外量子效率只有0.03%，這主要是電子的注入效率太低以及蒽的成膜性不好而存在易擊穿的缺點。1983年，Partridge研究了聚合物的電致發(fā)光，但亮度太低，沒有引起重視?？傊?，60~80年代中期，有機EL徘徊在高電壓、低亮度、低效率的水平上。蒽：結(jié)晶三環(huán)烴[anthracene]C6H4(CH)2C6H4,其純品為白色帶紫色熒光,在蒸餾煤焦油最后階段得到,用作發(fā)光材料(如在閃爍計數(shù)器中),特別是用于涂層(如用于吸收紫外光)1987年，美國柯達公司的鄧青云(C.W.Tang)和VanSlyke對有機EL做了開創(chuàng)性的工作。它們將具有高熒光量子效率的8-羥基喹啉鋁配合物(簡記為A1q3)作為發(fā)光層，用芳香二胺作為空穴傳輸層，用低功率的鎂銀合金陰極，并采用蒸發(fā)鍍膜法制備出多層結(jié)構(gòu)器件。EL材料的激發(fā)電壓已降至10V以下，發(fā)光強度大于1000cd·m-2，發(fā)光效率高于1.5lm·W-1。若一個光源在一給定方向下發(fā)射出頻率為540×1012Hz的單色輻射，且其輻射強度為1/683瓦每球面度，則該光源在這方向上的光強為1cd。熒光燈的亮度大約為8000cd/m2，顯示器的亮度只要有300cd/m2就足夠了。目前最亮的有機EL器件可以超過140000cd/m2。從成分上看，多樣性分子設計易于實現(xiàn)，因而大大地豐富了發(fā)光的顏色。例如，8—羥基哇琳衍生物中，A1q3發(fā)光顏色為綠色(λmax＝520nm)，Mgq2和Znq2的發(fā)光顏色則分別是綠色(λmax

＝518nm)和黃色(λmax

＝570nm)。發(fā)光亮度和效率高；全固化的主動發(fā)光；視角寬，響應速度快；制備過程簡單，費用低；超薄膜，重量輕；易于實現(xiàn)大面積彩色顯示；可以制作在柔性襯底上，器件可以彎曲、折疊；具有與集成電路相匹配的直流低電壓驅(qū)動特性。分子薄膜EL器件的優(yōu)點：最簡單的分散型直流電致發(fā)光器件如圖。將一層CuS(p型半導體)熱敷在ZnS(n型半導體)光發(fā)射磷光體的表面上(即發(fā)綠光的摻Cu的ZnS，記為ZnS：Cu)，從而形成一個異質(zhì)pn結(jié)。發(fā)光層夾在透明的電極和金屬電極之間，在一定方向的直流電場下發(fā)光。1、無機電致發(fā)光器件結(jié)構(gòu)大多數(shù)多色磷光體電致發(fā)光材料是摻有不同稀土元素或過渡元素(作為活化劑)的II-VI族半導體。根據(jù)磷光體(分散于透明介質(zhì)的粉末或蒸鍍薄膜)的激發(fā)電壓的不同，一般將EL器件分為直流電致發(fā)光(DCEL)器件和交流電致發(fā)光(ACEL)器件。一、無機電致發(fā)光器件和材料通常對電致發(fā)光薄膜器件采用多層式的金屬／絕緣體／半導體／絕緣體／金屬(MISIM)結(jié)構(gòu)。在典型的ACEL-MISIM器件中，發(fā)光的半導體并不和電極直接接觸。襯底為玻璃，薄膜沉積在可帶有預定花樣的透明In-Sn氧化物(1TO玻璃)上，再用后電極(A1)覆蓋。載流于是由某種機理(如交流電場下的碰撞電離)而產(chǎn)生的電子。當電子到達絕緣體／半導體的界面時就被捕獲。這種薄膜式ACEL器件具有非常好的亮度、穩(wěn)定性、視角和效率，因此發(fā)展很快。典型的三層式的ACEL器件截面圖實用的多層結(jié)構(gòu)：發(fā)光亮度B和施加的電壓V之間的關系為：其中B0、C為由發(fā)光條件、元件結(jié)構(gòu)和磷光材料決定的常數(shù)。對這種在強電場下發(fā)生的電致發(fā)光現(xiàn)象的物理本質(zhì)仍然不太清楚，但其主要過程大致如下：①由電極注入載流子(如從陰極注入電子或從陽極注入空穴)，②在電場下載流子被加速，③通過某種機理(如電子和稀土離子碰撞或者電子和空穴復合后將能量傳遞給金屬離子)激發(fā)金屬活性離子，④電子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)而發(fā)光，⑤從器件中輸出所發(fā)射的光。①可以在電場(110V·cm-1)下激發(fā)而不被擊穿，②在發(fā)光的閾值電壓下介電材料的行為類似于絕緣體，③能設法將磷光體沉積成薄膜(如用濺射、蒸發(fā)、化學氣相沉積和分子柬外延法等)。對于ACEL中的玻璃襯底、透明導電膜、絕緣膜和金屬電極等材料的一般要求：無機分散型ACEL器件中的介電材料是為了獲得高的交流阻抗以建立強電場而設置的，故可以應用高介電常數(shù)的介電材料。例：SiO2(ε＝3.5)、Si3N4(εc＝8.5)、Y2O3(ε＝11)、Sm2O3(ε＝16)、Ta2O3(ε＝22)、BaTiO3(ε＝55)和PbTiO3(ε＝100)。在交流無機電致發(fā)光薄膜中，所用介電材料的ε=10~180：一般而言，發(fā)光閾值電壓Vth隨ε的增加而降低，但這并不意味著ε越大對電致發(fā)光越好，因為還必須保證發(fā)光層的電場強度足夠大。另外，還要考慮到它和發(fā)光材料及電極材料的相容性。滿足這些條件的有II—VI族化合物(ZnS、ZnSe、CaS和SrS)和某些三元硫化物(CaGa2S4和SrGa2S4)的摻雜半導體。對于全色顯示，除了綠色和紅色外，還要求難以得到的發(fā)射藍光的磷光體，如ZnS：Tm和SrS：Ce。它們大都是在約1000℃高溫下用熔融法制備的。下表列出了一些典型例子。表中L40指閾值電壓40V時的發(fā)光性能。對發(fā)光器件中的主要成分磷光體的要求是：亮度高、效率高、顏色純及其壽命長。2、稀土材料的發(fā)光特性

4f軌道被外層的5s、5p和價軌道（5d16s2

）所屏蔽。5d16s2電子電離的結(jié)果產(chǎn)生Re3+離子，稀土Re3+離子的半徑幾乎是由充滿的5s2和5p6軌道所決定，這就決定了稀土化合物獨特的物理和化學性質(zhì)。深藏在內(nèi)的4f電子對稀土化合物的化學性質(zhì)影響不大。所以不同稀土的Re3+的化學性質(zhì)差別不大(稀土難以相互分離的原因)，只是離子半徑呈現(xiàn)有規(guī)則的縮小(鑭系收縮)。稀土元素不易形成共價鍵，而其光學和磁學性質(zhì)則可以用通常的原子理論加以說明，晶體場影響只看成是微擾。稀土離子能級圖就幾乎與晶體結(jié)構(gòu)無關，而保持了原子能級的特性。其中從La(Z＝57)到Lu(Z＝71)的f軌道電子數(shù)n分別為0到14稀土原子中電子的徑向密度分布和能級特點：稀土元素價電子構(gòu)型：[Xe]4fn5d16s2。進一步考慮LS耦合后還可以得到按光譜支項2S+1LJ表示的更細微的能級分裂。其能級高低的規(guī)律是：當L、S都相同時，對于小于半充滿f的電子組態(tài)，J值越小的電子組態(tài)越穩(wěn)定；對于大于半充滿的電子組態(tài)，則J值越大的越穩(wěn)定。前圖中用光譜支項2S+1LJ(因能級太密，在圖中用(2S十1)LJ表示)所標識的各個Re3+多重態(tài)能級圖，反映了這些規(guī)律，其中譜項的寬度大致表示不同能級在晶體場中的分裂程度。

f軌道的軌道量子數(shù)l＝3，每個軌道含有磁量子數(shù)們ml＝+3，+2，+1，O，-1，-2，-3表示的七個磁軌道。當將fn組態(tài)的幾個電子在泡利不相容原理的條件下填入不同的ml值的磁軌道時，可以得到用總軌道量子數(shù)L和總自旋量子數(shù)S來表示的不同量子狀態(tài)(稱為光譜項2S+1L)。按照洪德規(guī)則，其中S越大則能級越低，因為它直接度量了平行電子的數(shù)目。S相同時，L越大則譜項能級越低，從經(jīng)典的觀念看，L越大表明電子傾向于沿同一方向繞核運動，從而避免了彼此碰撞。能量最低的基態(tài)譜項中的L值取決于4fn中的電子數(shù)n值：例如，在稀土發(fā)光材料中常用的有f→f躍遷的Eu3+(紅光)、Tb3+(綠光)和d→f躍遷的Eu2+(藍光)。90％以上的激光晶體中摻有稀土離子，只有10％左右是摻人V2+、Ni2+、Co2+、Co3+、Ti3+、Cr3+和U3+等過渡金屬離子。稀土自由離子受電子斥力、自旋軌道精合和晶體場作用而產(chǎn)生能級位移和分裂。稀土元素Nd的過磷酸鹽是目前激光晶體中使用最為廣泛的激活材料。例如，將Nd3+離子摻人YP5O14中所得到的YP5O14：Nd晶體就具有較好的激光性能。三價稀土化合物的4fn組態(tài)中共有1639個能級。能級之間的可能躍遷數(shù)高達199177個。電子躍遷時遵守電偶極躍遷選擇定則：△L＝土1、△S＝0和|△|＜2L(f組態(tài)為L＝3)。因此f→f躍遷(△J＝0)應是字稱守恒所禁阻的。但實際上，由于晶格振動、對稱性降低、磁偶極躍遷和f→d躍遷的出現(xiàn)等原因，還是可以觀察到f→f躍遷。因此，稀土化合物是一類很有發(fā)展前途的光學材料，在激光材料、發(fā)光材料和陶瓷及玻璃著色劑方面有廣泛應用。由于熱載流子(一般是動能約2一10eV的電子)和摻雜的稀土離子直接相互作用而使稀土離子的4f(5d)電子激發(fā)到激發(fā)態(tài)。在光致發(fā)光中十分重要。間接激發(fā)是一個多步驟過程。首先，光子激發(fā)一個并不發(fā)光的中心(即光敏劑S，這時相當于給體D)，再由該中心通過能量傳遞而激發(fā)稀土離子(受體A)。右圖表示了這樣一種通過激發(fā)的給體—受體對(DAP)進行能量傳遞而激發(fā)稀土離子的過程。3、稀土離子的激發(fā)機理稀土的發(fā)光有直接激發(fā)和間接激發(fā)兩種機理。直接激發(fā)機理：間接激發(fā)機理：在這種間接過程中，速率限制性步驟一般是從光敏劑激發(fā)態(tài)到稀土離子的能量傳遞過程。一般認為，在電致發(fā)光中主要是熱載流子在絕緣體和金屬界面處與摻雜稀土離子發(fā)生電子碰撞而發(fā)生激發(fā)。這種碰撞激發(fā)可以看做熱載流子與稀土離子的非彈性碰撞。電子交換(Dexter)機理：兩個獨立的單電子各自朝相反的方向轉(zhuǎn)移(也要求在小于1nm內(nèi)兩者有軌道重疊，是近程過程)，結(jié)果形成光敏劑的基態(tài)和淬滅劑的激發(fā)態(tài)。偶極—偶極(Forster)機理：通過庫侖作用耦合(“傳輸天線”機理，是遠程過程)，這時激發(fā)態(tài)光敏劑的振蕩電子和淬滅劑的振蕩電子通過誘導偶極子相互作用而耦合(一般發(fā)生在其間距小于1—10nm)。能量傳遞型的淬滅有兩種不同的機理：其中fS(E)和fA(E)分別為光敏劑S和稀土離子受體A的發(fā)射和吸收譜的譜形函數(shù)。該式表示DAP中發(fā)射光譜和稀土的吸收光譜重疊時能量交換效率高。Schaffer和Williams修改了著名的Forster和Dexter能量傳遞模型。光敏離子S和發(fā)光離子A之間的電子偶極—偶極相互作用的傳遞效率可以表示為：間接激發(fā)的傳遞原理（可能不適合摻雜稀土DAP分離較遠的情形）稀土原子的間接激發(fā)過程要求自由載流子必須被給體和受體俘獲，因此在具有強電場的EL結(jié)構(gòu)中，這種過程是很難實現(xiàn)的，因為在該條件下自由載流子立刻被電場加速到EI器件的弱場區(qū)，在該區(qū)域中給體和受體中心不會電離。

對不同稀土離子及處于不同位置的稀土離子的光致發(fā)光性質(zhì)研究的核心問題：在光敏離子S和稀土中心間的能量傳遞是遠程的還是定域的？實驗表明，能量傳遞是在緊密締合的復合中心(complexcenters)間進行的。對ZnS中不同位置的Sm的衰減動力學研究表明，遠距離的傳遞只占總的PL強度的百分之幾，而相鄰的S—Re在PL過程中起主要作用。因此，為了保證稀土離子和S相鄰，這就要求S成分本身同時就是稀土離子的電荷平衡離子和光敏劑，這就是文獻上出現(xiàn)“發(fā)光中心(1umocens)”這個名詞的原因。這個名詞用以描述稀土離子復合中心可以增加稀土激發(fā)效率的事實。這是由于靠近的S—Re對能量傳遞有利，更重要的是，靠近稀土離子的電荷平衡離子降低了局部電場的對稱性而使原來禁阻的4f一4f躍遷得以解禁。通過離域或定域的庫侖作用可以改變金屬離子的氧化態(tài)或者使自由載流子定域。在后一情況下，形成了所謂的由金屬離子和外部束縛載流于組成的金屬離子電荷轉(zhuǎn)移態(tài)。利用這個模型和已知的離子可能的氧化態(tài)，可以預見空穴將和Ce3+、Pr3+、Tb3+或Eu2+結(jié)合，而電子將和Yb3+、Eu3+、Sm3+或Tm3+結(jié)合。這一模型可以說明在CdS晶格中的Ni雜質(zhì)根據(jù)它的初始氧化態(tài)而分別可以和電子或空穴結(jié)合的事實。激子機理：最簡單的分子電致發(fā)光器件僅由陰極(金屬)、發(fā)光層和陽極(1TO)所組成的單層夾心式結(jié)構(gòu)。這是一種注入型的發(fā)光器件。通常用ITO玻璃作為陽極，在正向電壓驅(qū)動下向發(fā)光層注入空穴，作為陰極的金屬電極向發(fā)光層注入電子。注入的空穴和電子在發(fā)光層中相遇而結(jié)合成激子。激子復合后再將能量傳遞給發(fā)光材料，后者中被激發(fā)的電子經(jīng)過輻射弛豫過程而發(fā)光。二、分子電致發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)和材料1、分子電致發(fā)光器件為了改進發(fā)光亮度，1987年，Tang首次提出了雙層結(jié)構(gòu)器件(圖(b)和(c))，其中加入了一層所謂的傳輸層，它是一層雙胺染料膜，起著幫助輸送空穴或電子的作用。在此基礎上后來就發(fā)展了其他形式的雙層、三層甚至多層有機電致發(fā)光器件(圖(d)一(g))。典型的實用化的三層發(fā)光器件目前，電致發(fā)光聚合物的發(fā)光亮度已經(jīng)達到了液晶所實現(xiàn)的20FtL(1FtL＝3.426cd·m-2)，其缺點是制作工藝復雜，分子間弱的相互作用影響了其機械穩(wěn)定性。目前的有機小分子則因在約106V·cm-1的強電場下易于結(jié)晶而縮短了其壽命。在多層結(jié)構(gòu)器件中，電子傳輸層(或空穴傳輸層)的引人，既有利于輸送電子(或空穴)，又有利于阻擋來自發(fā)光層中的空穴(或電子)的通過，這樣提高了載流子濃度，防止了載流子的流失，從而加強了發(fā)光層中電子和空穴的復合，提高了有機電致發(fā)光的亮度和效率。通過染料分子的摻雜，有可能獲得所需的各種顏色。白光電致發(fā)光器件的發(fā)展更引人注目。例如，將TPB(發(fā)450nm藍光)、香豆素(發(fā)510nm綠光)和DCM(發(fā)550nm橙光)這三種染料摻入PVC可以制成發(fā)白光的器件。電致發(fā)光器件中包含了電極、發(fā)光材料及載流子傳輸材料三個部分。根據(jù)它們的不同作用，對它們都有一定的要求。2、分子電致發(fā)光材料①高量子效率的熒光特性，其光譜應處在400一750nm的可見光區(qū)域；②良好的半導體特性，能有效地傳輸電子或空穴；③良好的成膜特性，不易形成針孔或微晶；④良好的熱穩(wěn)定性及機械加工性能。

(1)發(fā)光材料處于首要地位的是發(fā)光材料的選擇。選擇的基本條件是：（小分子發(fā)光材料）非過渡金屬離子A13+、Zn2+、Ga3+、In3+、Be2+、Th4+、Zr4+、Sc3+和芳香族有機化合物所形成的配合物受到廣泛重視。其中的配體通常含有一個能與金屬離子形成。鍵的-OH、-SH、-NH2或-COoH官能團，還含有一個能與金屬離子形成配位鍵的N、O或OR等官能團，如羥基蒽染料、偶氮染料和8—羥基喹啉所形成的螯合物。這類材料的發(fā)射光譜都較寬，有時也可觀察到其振動光譜輪廓，其光譜強度隨金屬離子原子序數(shù)的增加而增大，譜線略紅移。當R1＝-H，R2＝-H(PPV)時，發(fā)光波長為535nm和575nm(綠光)；當R1＝-O-CnH2n+1，R2＝-O-CnH2n+1(ROPPV)，n＝8時，發(fā)光波長為575nm；當R1＝-OCH3，R2＝-O-CH-CH-C2H5-CH2-CH2-CH2-CH3(MEH—PPV)時，發(fā)光波長為610nm和661nm。

PPV及其衍生物是目前國際上研究最多的具有高發(fā)光效率的聚合物。通過在苯環(huán)上引入鹵素S、N、NO2、CH3和烷基等取代基而進行化學修飾后，可以通過改變PPV的禁帶寬度來改變其光電性質(zhì)，其不同取代基的衍生物也具有不同的發(fā)光波長。對照PPV結(jié)構(gòu)圖中：聚合物發(fā)光器件的優(yōu)點是制膜工藝較簡單，膜的化學、機械和熱穩(wěn)定性高，在電場下不易結(jié)晶，從而有較長的壽命。重要的任務是進一步提高其量子效率（已達到約1%）。引入載流子傳輸層是獲得高亮度和高效率發(fā)光器件的一個重要途徑。用作載流子傳輸材料的這類分子中常含有給予和接受電子的基團。含給電子基團的易于給出電子而形成陽離子自由基，通過不斷的可逆氧化還原過程給出電子而形成空穴傳輸；含接受基團的則易于接受電子而形成陰離子自由基．通過不斷的氧化還原過程接受電子而形成電子傳輸。當分子中同時含有給予和接受電子基團，則該分子材料就可能兼具有傳輸空友和電子的特性。

(2)載流子傳輸材料電子傳輸材料：常用的電子傳輸材料為共扼芳香族化合物，例如噁重氮衍生物(PBD)、苝四羥酸衍生物(PV)、三唑衍生物(TAE)以及8—羥基喹啉鋁(Alq3)?？昭▊鬏敳牧铣Ｓ玫目昭▊鬏敳牧蠟榉枷愣喟奉愌苌铮鏣PD、PBD、聚對苯乙炔(PPV)、聚二烷基氧對苯乙炔、三苯胺衍生物和銅酞菁染料等?？昭ㄗ⑷胗玫恼龢O，幾乎都是采用高功函數(shù)(4.5eV)的所謂ITO透明電極，即在玻璃襯底上鍍上一層In2O3：SnO混合物，器件所發(fā)出的光就是由此側(cè)面輻射出去。作為電子注人的負電極則是采用有利于電子注入的功函數(shù)低的金屬，如金屬鋁(4.3eV)、鈣(2.9eV)、鎂(3.7eV)、銦(4.1eV)、銀(4.3eV)等金屬或其合金。常用的是金屬鎂，但由于鎂的附著力較差，且易于氧化，因而常將鎂和銀、銦及銅等混合(10：1)以達到保護鎂的作用。除了透過性好外，電極的導電性對于提高響應速度也十分重要。

(3)電極的選擇ITO電極和金屬鋁電極等，一般用真空熱蒸發(fā)法制備。為了控制陽極表面的電壓降，一般要求其表面電阻小于500，鋁電極的厚度約為100~200nm。3、薄膜電致發(fā)光器件的制備有機小分子膜是在優(yōu)于5×10-3Pa的真空度下，以0.2~0.4nm/s-1的生長速率制備。典型的發(fā)光層厚度為100~200nm，載流子傳輸層厚度控制在30~50nm。對于一些同時具有親水和親油特性的雙親性分子，如亞苯基亞乙烯雙親性衍生物，也可以采用LB制膜技術(shù)制備。對于聚合物材料，由于其熔點較高，不易升華，故真空熱蒸發(fā)易使之分解而破壞其共扼鏈結(jié)構(gòu)，而且所制備的低質(zhì)量薄膜中會產(chǎn)生大量針孔而使其喪失電致發(fā)光特性。通常采用旋涂(spin—coating)法制膜,即將聚合物溶解在氯仿、甲苯或二氯乙烷等有機溶劑中，在氫氣和氮氣保護下進行簡單浸涂或旋轉(zhuǎn)涂膜。制膜過程中，溫度、真空度、成膜速度及厚度等工藝條件對器件的發(fā)光性能至關重要。有機化合物及配位化合物的分子電致發(fā)光雖然在某些方面和前述典型的無機化合物有很多相似之處，但是由于兩者結(jié)構(gòu)特性的差別，在具體機理上有所不同。三、分子電致發(fā)光原理為了更深入地討論分子的電致發(fā)光機理，我們結(jié)合與其類似的分子光致發(fā)光，以目前受到重視的三價稀土配合物的電致發(fā)光為例進行介紹。分子材料的發(fā)光:當配合物分子吸收了(圖中向上實線)紫外光而激發(fā)(光致發(fā)光條件)或者受加速電子的碰撞激發(fā)(電致發(fā)光條件)而從基態(tài)So躍遷到Sl激發(fā)態(tài)，再從配體的Sl態(tài)經(jīng)過系間竄越有可能達到稀土離子的激發(fā)態(tài)m*后，會產(chǎn)生相應于中心離子m*→m躍遷的可見熒光發(fā)射(圖中朝下實線)。產(chǎn)生這種發(fā)光有下列幾種情況。下圖表示了三價稀土配合物的典型能級圖。由于稀土離子未充滿電子的f軌道被外層的s和p軌道所屏蔽，它不易受配體的微擾。為了清楚起見，圖中將配體和稀土離子分開標記。在中心離子的最低激發(fā)能級m*高于配體的最低單線態(tài)能級Sl(圖(a))，或者中心離子的電子構(gòu)型為全空或全滿(如La3+和Lu3+)而不具有低m*激發(fā)能級(圖(b))這兩種情況下，只能觀察到受中心金屬離子微擾的配體熒