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1、 1 / 14第一讲 发光材料的基础知识第一节 发光1.1 光与电磁波辐射光是能量的一种形态，光的本质是电磁波，在波长范围极其宽广的电磁波中，光波仅占很小的部分。可见光的波长范围约在 390770nm。在这个范围内的各种波长都可凭眼睛的颜色感觉来加以区分。紫色390446nm，蓝色 446492nm，绿色 492578nm，黄色 578592nm，橙色592620nm，红色 620770nm。由单一波长组成的光称为单色光，实际上，严格的单色光几乎不存在，所有光源所产生的光均占据一段波带，有的可能很窄，例如，激光可认为是最接近理想单色光的光源。波长超过可见光的紫色和红色两端的电磁辐射分别称为紫外
2、辐射和红外辐射。紫外辐射的短波段可以延伸到 10nm，红外辐射的长波段人为地规定到 1mm 左右，再长的波段则属于无线电波的范围。1.2 人眼的视觉特性光源与显示器件发射的可见光辐射刺激人眼引起的明暗和颜色的感觉，除了取决于辐射对人眼产生的物理刺激外，还取决于人眼的视觉特性。发光效果最终是由人眼来评价的，能量参数并未考虑人眼的视觉作用，发光效果必须用基于人眼视觉的光量参数来描述。人眼的视网膜上布满了大量的感光细胞，感光细胞有两种：（1）柱状细胞，灵敏度高，能感受极微弱的光；（2）锥状细胞，灵敏度较低，但能很好地区分颜色。人眼的视觉特性和大脑区域的生理功能决定了客观光波刺激人眼而引起的主观效果。
3、不同波长的光，人眼的感受程度不同，即人眼对各种颜色光感受的灵敏度是不同的，对绿光的灵敏度最高，而对红光的灵敏度要低得多。不同的观察者对各种波长的光的灵敏度也有所不同；而且，人眼对光感受的灵敏度还与观察者的年龄及健康状况有关，这会给光的度量带来很大的困难。因此，国际照明委员会（CIE）根据各国测试和研究的结果，提出平均人眼对各种波长的光的相对灵敏度值（光谱光视觉函数） 。在亮度超过 10cd/m2 的环境里最大的视觉响应峰值在光谱绿区中的555nm 处。这条视觉函数曲线是 1924 年得到国际上公认的，也称为明视觉的光谱光视效率。当环境亮度低于 10cd/m2 时，属于暗视觉的范围。眼睛适应暗视
4、觉状态约需 30min 时间，此时的最大视觉响应峰值在 507nm。 2 / 14对于光辐射的探测和计量存在着辐射度学和光度学两种不同的体系。辐射度学适用于整个电磁辐射波段，是用纯客观的物理量，不考虑人眼的视觉效果来描述光辐射，通常用于非可见光区的辐射；光度学物理量是考虑了人的视觉郊野的生理物理量，可以反映人眼的视觉明暗特性，用于评价可见光区域的辐射。1.3 发光的本质当某种物质受到诸如光照射、外加电场或电子束轰击等的激发后，只要该物质不会因此而发生化学变化，它总要回复到原来的平衡状态。在这个过程中，一部分多余的能量会通过光或热的形式释放出来。如果这部分能量是以可见光或近可见光的电磁波形式发射
5、出来的，就称这种现象为发光。概括地说，发光就是物质在热辐射之外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持续时间。发光现象的两个主要的特征是：任何物体在一定温度下都有热辐射，发光是物体吸收外来能量后所发出的总辐射中超出热辐射的部分；当外界激发源对物体的作用停止后，发光现象还会持续一定的时间，称为余辉。近代物理研究表明，光的吸收和发射是原子（分子或离子）体系在不同能量状态间跃迁的结果。这一过程可分为两种：在没有外界作用的情况下处于基态的原子数目总是占绝大多数。当原子受到光子照射时，处于低能态 E1 的原子会吸收能量而跃迁到高能态 E2，这个过程称为受激吸收。处于激发态 E2
6、的原子其能量较高，属于介稳状态，会跃迁到低能态 E1，放出相应的能量，这个过程称为自发发射。 （图解发光过程）1.4 发光的分类与应用1）发光的分类对各种发光现象，可按其被激发的方式进行分类：光致发光、电致发光、阴极射线发光、辐照发光、化学发光和生物发光等。（1）光致发光（photoluminescence ）光致发光是指用紫外光、可见光或红外光激发发光材料而引起的发光现象。它大致经过吸收、能量传递及光发射三个阶段。光的吸收及发射都发生于能级之间的跃迁，都经过激发态。而能量传递则是由于激发态的运动。激发光辐射的能量可直接被发光中心（激活剂或杂质）吸收，也可被发光材料的基质吸收。在第一种情况下，
7、发光中心吸收能量向较高能级跃迁，随后跃迁回到较低能级或基态能级而产生发光。在第二种情况下，基质吸收光能，在基质中形成电子空穴对，它们可能在晶体中运动，被束 3 / 14缚在各个发光中心上，发光是电子与空穴的复合而引起的。当发光中心离子处于基质的能带中时，会形成一个局域能级，处在基质导带和价带之间，即位于基质的禁带中。不同的基质结构，发光中心离子在禁带中形成的局域能级的位置不同，从而在光激发下，会产生不同的跃迁，导致不同的发光色。光致发光材料分为荧光灯用发光材料、PDP 用发光材料、长余辉发光材料和上转换发光材料。（2）电致发光（electroluminescence ）电致发光是由电场直接作用
8、在物质上所产生的发光的现象。电致发光分为两种类型：一是本征型电致发光（1936 年，德斯特里奥效应） ，二是半导体 p-n 结的注入式电致发光。-族半导体材料制成的发光二极管的发光就是注入式电致发光。当半导体 p-n 结正向偏置时，电子（空穴）会注入到 p(n)型材料区。这样注入的少数载流子会通过直接或间接的途径与多数载流子复合，从而发光。（3）阴极射线发光（cathodeluminescence）是发光物质在电子束激发下所产生的发光。电子射入发光材料的晶格，由于一系列的非弹性碰撞而形成二次电子，其中一部分由于二次发射而损失掉，而大部分电子激发发光中心，以辐射或无辐射跃迁形式释放出所吸收的能量
9、，这些跃迁间的比例决定了发光的效率。CRT 电视就是阴极射线发光。（4）辐照发光辐照发光是指高能光子（如 X 射线和 射线）和高能粒子（ 粒子、 粒子、质子、中子）辐照发光材料，与其中的原子、分子碰撞、使之发生电离，电离出的电子有很大的动能，可继续引起其他原子的激发和电离，产生二次电子，通过电子空穴复合或激子的迁移，把激发能传递给激活剂而发光。医院诊断用 X 射线照片。（5）其他发光应力发光是将机械应力加在某种固体材料上而导致的发光现象。比较激烈的应力发光在地震时可以明显观察到，一些材料在断裂时经常可观察到发光现象，如 SiO2、 NaCl、TiO 2、SrTiO 3 等。化学发光是由化学反应
10、过程中释放出来的能量激发发光物质所产生的发光现象。生物发光是指在生物体内，由于生命过程的变化，其相应的生化反应释放的能量激发发光物质所产生的发光。还有热释发光、光释发光、声致发光等。 4 / 142）发光的应用自然界的很多物体（包括固体、液体和气体，有机物和无机物）都具有发光的性能。就固体发光材料而言，其包括有机材料和无机材料两大类。目前无机发光材料的研究与应用已相当深入，稀土发光材料已趋于主导地位，而有机发光材料的研究正在蓬勃发展。要区别某一材料是否发光并没有明显的界线。一般条件下不发光的材料在非常强的激发下也可能有微弱的发光；有些材料需要提高纯度，发光才能增强；有些材料纯度高但需要掺入一些
11、杂质才能有好的发光。在技术应用中广泛采用的材料是掺杂材料，一般杂质含量很少，约占 10-3。有的发光材料中含有不止一种杂质。通过杂质的掺入可以改变发光材料的性能，包括效率、余辉、光谱等，在电致发光材料中杂质还可用来改变导电类型和电阻率等参量。各种发光材料按一定的技术要求制成不同的发光器件，在外界的激发下发光。在使用发光材料和器件时，应该先了解它们的性能，然后根据具体需要决定实施方案。实际应用对发光材料和器件的要求主要是发光效率、亮度、余辉及光谱等基本特征。利用发光作为光源是照明技术的一次革命。从古代的钻木取火到近代的白炽灯照明，虽然技术上有了飞跃的变革，但它们的原理完全相同，均依靠热辐射。白炽
12、灯在照明中起了极大的作用，但它在依靠热辐射得到光的过程中很大一部分能量变成热能而白白消耗掉，其效率只有 15lm/W。而利用光致发光材料制成的日光灯作为照明光源，它不仅可以模拟太阳的光色，减轻眼睛的效劳、提高功效，而且效率已经高达 100 lm/W 以上。发光材料和器件的一项十分重要的应用是显示。显示技术在生产、军事、科学实验和日常生活中具有重要的应用，并成为人们生活之必需，其发展也极其迅速。从家用的彩色阴极射线电视机到高清晰大屏幕的彩色等离子体平板显示器，从计算机显示屏到手机显示屏，品种繁多，目前正在往小型化、集成化以及高清晰大屏幕显示方向发展。光电子学器件是利用发光器件和适当的光电器件等结
13、合，可以实现全固体化的丰富多彩的应用，如用 X 射线或红我光图像转换成可见光图像的图像转换器，实现图像储存、光放大以及逻辑电路、振荡器、放大器、继电器等功能的光电子学器件。发光在核辐射场的探测辐射剂量的记录方面也获得了广泛的应用，具有放射发光性能的闪烁体是构成闪烁计数器的主要部件。而闪烁计数器是辐射场探测的重要方法之一。利用辐照发光和热释发光的原理制作的剂量 5 / 14计，在辐射剂量学中一直受到重视。此外，发光在农业上选种、工业中的分析、染色，医学诊断，水利勘探，以及化学分析，分子生物学和考古学都有不同程度的应用。第二节 发光的一些基本概念1、吸收光谱（Absorption spectrum
14、）吸收光谱是描述吸收系数随入射光波长变化的谱图。当一束光照射到发光材料上时，一部分被反射、散射，一部分透射，其他的被吸收。只有被吸收的这部分光才能对发光材料的发光起作用。当然不是所有被吸收的各种波长光都能对发光有贡献即能起激发作用。发光材料对光的吸收遵循如下规律：I（）=I 0（）e -K X式中 I0（）波长为 的入射光的初始强度；I（）入射光通过厚度为 X 的发光材料后的强度；K 吸收系数，不随光强但随波长变化的一个系数。发光材料的吸收光谱主要决定于材料的基质，激活剂和其他杂质对吸收光谱也有一定的影响。多数情况下，发光中心是一个复杂的结构，发光材料基质晶格周围的离子对它的性质会产生影响。吸
15、收可以是由发光材料基质晶格的空位所决定，空位是在发光材料的形成过程中产生的。被吸收的光能一部分辐射发光，一部分能量以晶格振动等非辐射方式消耗掉。大多数发光材料主吸收带在紫外光谱区。发光材料的紫外吸收光谱可由紫外可见分光光度计来测量。2、漫反射光谱（Diffuse reflection spectrum）如果材料是一块单晶，经过适当的光学加工，利用分光光度计并考虑到反射的损失，就可以测得该材料的吸收光谱。但是大多数实际的发光材料并非单晶，而是粉末，并由众多的微小晶粒组成，这给精确测量吸收光谱带来很大的困难。此时，只能通过测定材料的反射光谱来估计它对光的吸收。当光线投射到粗糙的表面时，光线向四面八
16、方散射和反射，称为漫反射。一般粗糙表面、粉末漫反射就较强，反射光的总量与入射光的总量之比称为漫反射率。物体的漫反射率随入射波长而变化的谱图称为漫反射光谱，有时简称为反射光谱。通常，如果材料对某波长的吸收强，反射率就低，反之，吸收弱，反射率就高。但绝不能认为漫反射光谱就是吸收光谱。紫外可见分光光度计上附有漫反射积分球、粉体盒和固体样品架， 6 / 14可以用来进行漫反射光谱的测量。3、激发光谱（Excitation spectrum）激发光谱是指发光材料在以不同波长光的激发下，该材料的某一发光谱线或谱带的强度或发光效率与激发波长的关系。激发光谱反应了不同波长的光激发的效果。根据激发光谱可以确定激发该发光材料使其发光所需的激发波长范围，并可以确定某发光谱线强度最大时最佳的激发光波长。激发光谱对分析发光的激发过程具有重要意义。通过吸收光谱（或反射光谱）和激发光谱相互比较，不仅可以判断哪些吸收对发光有用，哪些是不起作用的，而且还可以了解材料的更多信息。4、发射光谱（Emiss
