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1、,第 一 章 发 光 材 料 基 本 知 识,1.1 发光、发光材料及其分类,发光 物体内部以某种方式吸收的能量转化为光辐射的过程。,研究发光的学科就是发光学，其内容包括物体发光的条件、过程和规律，发光材料和器件的设计原理、制备方法和应用，以及光和物质的相互作用等基本物理现象。,激发 发光体受外界作用而发光，这种作用称为激发。,在技术应用上，通常根据激发的方式，区别发光的类型。如,1.1 发光、发光材料及其分类,并非一切光辐射都称为发光，发光只是光辐射中的一部分。,任何物体只要具有一定的温度，则该物体必定具有与此温度下处于热平衡状态的热辐射。非平衡辐射是在某种外界作用的激发下，物体偏离原来的平
2、衡状态，如果该物体在向平衡态恢复的过程中，其多余的能量以光辐射的方式进行发射，则称为发光。所以发光是叠加在热辐射背景上的非平衡辐射种的一种。,1.1 发光、发光材料及其分类,根据各类发光在激发停止后是立即消失还是仍然保持一段时间可把发光分为,现在已经不对二者作严格的区分。,1.1 发光、发光材料及其分类,发光材料 在各种类型激发作用下能够发光的物质,发光材料可以像发光一样按激发方式的不同分类为,1.1 发光、发光材料及其分类,还可以按其用途分为,也可以按本身所属的物质类别分为,1.1 发光、发光材料及其分类,不同类别的发光材料还可再细分，如无机发光材料可按基质分为,1.1 发光、发光材料及其分
3、类,也可按是否掺杂分为,1.1 发光、发光材料及其分类,1.2 发 光 材 料 的 光 谱 特 征,发射光谱 发光的能量（或强度）按波长或频率的分布,图 1-1 (a) Excitation (em = 431 nm) and (b) emission (ex = 310 nm) spectra of Ca8Al12O24(WO4)2 at RT,1.2 发 光 材 料 的 光 谱 特 征,许多发光材料的发射光谱是连续的宽谱带。有一些比较窄，并且在低温（液氮或液氦）下显现出结构，即分解成许多谱线。还有一些材料在室温下的发射光谱就是谱线。,发光中心的结构决定发射光谱的形成。,图 1-2 (a)
4、Excitation (em = 542 nm) and (b) emission (ex = 277 nm) spectra of Ca7.984Tb0.008Na0.008Al12O24(WO4)2 at RT,1.2 发 光 材 料 的 光 谱 特 征,发光材料对光的吸收，和一般物质一样，都遵循以下的规律：,当光照射到发光材料上时，一部分被反射、散射，一部分透射，剩下的被吸收。只有被吸收的这部分光才对发光起作用。但是也不是所有被吸收的光的各个波长都能起激发的作用。,吸收光谱 k（吸收系数）随波长（或频率）的变化,不同的发光材料的吸收光谱有不同的特点。,1.2 发 光 材 料 的 光 谱
5、特 征,如果材料是一块单晶，经过适当的加工（如切割、抛光等），利用分光光度计并考虑到反射的损失，就可以测得吸收光谱。但是多数实用的发光材料都是粉末状，是由微小的晶粒组成的。这对精确测量吸收光谱造成很大的困难。在得不到单晶的情况下，通常只能通过材料的反射光谱来估计它们对光的吸收。但反射光谱和吸收光谱包含完全不同的概念，不能认为反射光谱就是吸收光谱。它们既有联系，又有区别。,反射光谱 反射率R随波长（或频率）的变化 。,1.2 发 光 材 料 的 光 谱 特 征,激发光谱 发光的某一谱线或谱带的强度随激发波长（或频率）的变化,激发光谱反映不同波长的光激发材料的效果。,激发光谱与吸收光谱既有联系又有
6、区别。,半宽度（谱线宽度） 光谱曲线最大强度的一半所对应的两个波长之差,半宽度的大小用来衡量光谱线宽窄程度。,激发光谱可用来研究发光材料中的能量传递现象。,1.3 发 光 材 料 的 发 光 效 率,量子效率 发射的光子数Nf 与激发时吸收的光子数Nx 之比，即,发光材料的量子效率对了解发光材料所能达到的效率的极限是很重要的参考。但激发光光子的能量一般总是大于发射光光子的能量，即有能量损失。当激发光波长比发射光波长短很多时，这种能量损失就很大。量子效率反映不出这种损失，而用功率效率来表示。,功率效率（能量效率） 发射光的光功率与激发时输入的电功率或被吸收的光功率之比，即,1.3 发 光 材 料
7、 的 发 光 效 率,流明效率（光度效率） 发射的光通量（以流明为单位）与激发时输入的电功率或被吸收的其它形式的能量之比，即,作为发光器件来说，总是作用于人眼的。人的眼睛只能感觉到可见光，而且在可见光范围内，对于不同波长的光的敏感程度也是差别极大的。人眼对555nm的绿光最敏感，随着波长的变化其相对的视感度通常用视见函数来表示，如图1-5所示。显然，功率效率很高的发光器件发出的光，人眼看起来不见得很亮。因此，用人眼来衡量一发光器件的功能时，我们就采用流明效率。,1.4 Stokes 位 移,Stokes定律：发光的光子能量必然小于激发光光子的能量。,Stokes定律可以根据Jablonski图
8、或位形坐标模型说明。,根据Stokes定律，相对于激发光谱，发射光谱总是位于低能边或长波方向。,Stokes位移 激发光能量与发射光能量之差（通常根据激发光谱与发射光谱的峰值对应的能量进行计算，以cm-1为单位）,1.5 上 转 换 发 光 和 级 联 发 射,反Stokes发光（上转换发光 ） 发射光子的能量大于激发光子的能量,上转换发光材料实例：NaYF4:Yb3+, Er3+（涂在Si-GaAs二极管上）,光子级联发射（光子倍增发射） 吸收一个光子而发射两个或更多个光子,可能应用：在日光灯中用氖气代替汞蒸汽无汞日光灯,1.6 余 辉,余辉 激发停止后的发光,有些光致发光材料，如ZnS:
9、Cu+、SrAl2O4: Eu2+，它们在紫外线甚至阳光照射后，发光可延续较长时间，最长可达十几个小时，这些材料称为长余辉发光材料。,余辉是发光体的衰减特性，它可以有两种表示方法：,（1）以衰减曲线表示，即以时间为横坐标，发光亮度（或强度）为纵坐标绘制曲线，激发刚停止的时间为零，其亮度为最大。,1.6 余 辉,（2）以公式表示，如发光衰减是指数式的，可用下式表示：,如发光是双曲线式的衰减，则可用下式表示：,在实际应用时，所注意的是发光衰减的快慢，也就是发光余辉的长短。余辉的长短对阴极射线发光材料极为重要，通常把激发停止后，亮度下降到起始亮度的10%所经过的时间称为余辉时间。,1.6 余 辉,根
10、据余辉时间的长短，可对发光材料进行分类：,电视用荧光粉需要中短余辉，雷达用荧光粉需要长或极长余辉，飞点扫描管中用的荧光粉需要超短余辉。,1.7 发 光 材 料 中 的 杂 质,按杂质作用性质的不同，可以把它们分为：,激活剂：对某种特定的化合物（激发光材料的基质）起激活作用，使原来不发光或发光很弱的材料产生发光。如，掺入到ZnS中的Cu+、Ag+、Mn2+。,共激活剂：与激活剂协同激活基质的杂质，加强激活剂引起的发光。如，ZnS:Cu,Al和ZnS:Cu,Cl中的Al3+和Cl就是Cu+的共激活剂，当Cu+替换ZnS中的Zn2+时，Al3+和Cl都能起电荷补偿作用，使Cu容易进入基质。,敏化剂：
11、对一定的发光材料来说，有助于激活剂所引起的发光，使发光亮度增加。敏化剂和共激活剂的作用效果一样（故也有人把敏化剂叫作共激活剂），但二者的作用原理不一样。当激活剂不存在时，敏化剂也能产生自己的发光。如，ZnS:Cu,Mn中的Cu+是Mn2+的敏化剂。,1.7 发 光 材 料 中 的 杂 质,猝灭剂（毒化剂）：损害发光性能、使发光亮度降低的杂质。如，ZnS中的Fe2+、Co2+、Ni2+等。,惰性杂质：对发光性能影响较小、不对发光亮度和颜色起直接作用。如，碱金属、碱土金属、硅酸盐、硫酸盐和卤素等。,同一杂质对不同的发光材料可以有完全不同的作用。如，Cu是硫化物荧光粉的激活剂，同时又是硅酸锌、硼酸镉荧光粉的猝灭剂；又如，Ce是超短余辉材料的激活剂，又是红光材料Y2O3:Eu的猝灭剂。,无论是激活剂还是猝灭剂都要有一定的量才能起作用。含量极微的猝灭剂（如Fe、Co、Ni的量在107以下）可当成惰性杂质，而过量的激活剂也可以成为猝灭剂（浓度猝灭）。一般来说，作为发光材料的基质，其杂质元素的含量必须比该杂质元素能起激活作用的的最低含量低很多。,
