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1、发射发光材料,何泓材 电子科技大学微电子与固体电子学院,“发射发光材料”课程简介,学 时 数：32 学 分 数：2 先修课程：无机化学、有机化学、物理化学、固体物理,考核方式： 闭卷笔试 （平时30%，期末70%）,建议教材及参考资料 建议教材： 发光原理与发光材料，祁康成主编；电子科技大学出版社，2012年。 电子发射材料，王金淑周美玲著；北京工业大学出版社，2008年。 2. 参考资料： 固体发光材料，孙家跃主编，化学工业出版社出版，2003年。 稀土发光材料，张希艳主编，国防工业出版社出版，2005年。 发光学与发光材料徐叙瑢苏勉曾主编，化学工业出版社，2004年。 Luminescen
2、ce MaterialsG.Blasse, B.C.Grabmaier, Springer-Verlag，1994 Phosphor HandbookShigeoShionoya, William M.Yen, CRC Press. 1998.,“发射发光材料”课程简介,任课教师：何泓材 副教授 联系方式： 办公室：微固楼 416 电 话：83203807 E-MAIL： 上课地点：二教403 上课时间：一到九周每周二3、4节，每周五5、6节，总共32学时,课程内容,第1部分 发光材料绪论及相关基础（6学时）,发光材料概述 发光相关背景与基础知识,第2部分 发射发光材料制备与测试（6学时）,第
3、3部分 发光材料及其应用（18学时）,光致发光材料及发光机理研究 无机电致发光材料与器件 有机电致发光材料与器件 阴极射线发光材料 放射线和X射线发光材料,合成原理与方法 发光测试与表征,第4部分 发射材料及其应用（2学时）,本课程的任务与要求,1. 了解发光的物理过程与机理。 2. 掌握发光材料微观结构与性能的关系。 3. 掌握发光材料的合成原理、制备方法等。 4. 掌握发光材料的主要特性及测试方法。 5. 了解发光材料的用途、发展动态等。,第一章 发光材料概述,圣经中，上帝用七天创造了天地万物。 第一日，上帝说：“？”,“要有光！”便有了光。,第一章 发光材料概述,什么是发光及发光材料？
4、发光材料的分类？ 发光材料有什么用？ 发光材料的发展现状如何？,一、什么是发光？,1、当某种物质受到激发（射线、高能粒子、电子束、外电场等）后，物质将处于激发态，激发态的能量会通过光或热的形式释放出来。如果这部分的能量是位于可见、紫外或是近红外的电磁辐射，此过程称之为发光过程。,2、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，这种发射过程具有一定的持续时间。,发光与热辐射的差异,热辐射：任何绝对零度以上的物质都会发射热辐射，大多数位于红外区。一般500度开始辐射可见光，1500度发出白炽光，其中相当多的是紫外光。热辐射是一种平衡辐射，基本上只与物体温度有关，而与物质种类无关。（例如：太
5、阳光，白炽灯泡，烧热的炉膛。）,发光：是一种非平衡辐射（偏离原先的热平衡态），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。发光材料不需要加热，是一种“冷光”。,发光的持续性,发光: 具有一定的持续时间（持续时间：激发停止以后，光发射所经历的时间，主要决定于激发态的寿命），通常大于10-11秒。也有更慢的，这取决于跃迁的性质。,余辉：在激发（Excitation）即外界作用停止后发光不是马上消失而是逐渐变弱，这个过程也称为余辉（afterglow）。这个延续时间长的可达几十小时，短的也有1010sec左右。,反射、散射: 几乎无惯性，持续时间非常短，和光的振动周期差不多，约为10-14
6、秒。,发光的基本过程,A表示发光中心,激发：外部能量使发光材料中的发光中心进入激发态。 发射：处于激发态的发光中心通过光发射的方式回到基态，属于辐射跃迁。 产热：通过产热的方式回到基态，属于无辐射跃迁。,A表示发光中心, S表示敏化中心,与前一种情况相比，这里增加了能量传递过程。 敏化中心S吸收能量进入激发态，并传递能量给发光中心A。 能量传递过程在发光材料中是非常普遍并且重要的过程。,发光的基本过程,身边的典型发光器件荧光灯,图中绘出了日光灯的构造示意图，它由一个内壁涂有荧光粉的玻璃管内充有汞蒸气和氩气构成。通电后，汞原子受到灯丝发出电子的轰击，被激发到较高能态。当它返回到基态时便发出波长为
7、254 nm 和185 nm 的紫外光，涂在灯管内壁的荧光粉受到这种紫外光辐照激发，就随之发出白光。,节能灯发光是什么原理,光致发光(Photoluminescence) 电致发光(Electroluminescence) 阴极射线发光(Cathodeluminescence) 射线及高能粒子发光(Radioluminescence) 化学发光(Chemical luminescence) 生物发光(Bioluminescence) 声致发光(Sonoluminescence) 摩擦发光(Triboluminescence) 气体放电发光,发光的分类,我们可以按照激发方式的不同对发光进行分类：
8、,定义：用光激发产生的发光叫做光致发光。,光致发光(Photoluminescence),常见的光致发光材料主要有： 作光源用的灯用材料（稀土激活的硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐、硫化物等）。,用作隐蔽、紧急照明、仪表刻度、钟表字盘、插座、电灯开关等的长余辉材料（铝酸锶系列）。,用作光通讯领域的上转换材料（稀土氟化物、卤氧化物、钨酸盐及氯化物等）。,1、注入式电致发光：半导体p-n结在较低正向电压之下注入少数载流子，然后少数载流子与多数载流子在结区附近相遇复合而发光或者通过局域中心而发光。 例如：发光二极管（LED），半导体激光器（LD），有机薄膜电致发光（OLED），都是注入式发光。,电致发光(El
9、ectroluminescence),LED发光原理,定义：用电场或电流激发产生的发光，以前也叫场致发光。电致发光分为两种类型：,2、高场电致发光：两块平板板电极之间放入发光材料，在直流或是交流强电场的作用下，多数载流子被加速碰撞激发发光中心，随后导致复合发光。,阴极射线发光(Cathodeluminescence),定义：发光物质在电子束激发下产生的发光。 发光过程：电子束的电子能量通常在几千至几万电子伏特，入射到发光材料中产生大量次级电子，离化和激发发光中心产生发光。 用途：主要用于雷达、电视、示波器和飞点扫描等方面。其主要部件是阴极射线管。,如用于黑白、彩色电视显像管的荧光粉、用于雷达指
10、示管的长余辉材料，用于光电转换器屏上的短余辉材料等等。主要有硫化物型、硅酸盐型、氧化锌、氟化物、稀土发光材料等。,1.Three Electron guns 2.Electron beams 3.Focusing coils 4.Deflection coils 5.Anode connection 6.Mask for separating beams for red, green, and blue part of displayed image 7.Phosphor layer with red, green, and blue zones 8.Close-up of the phosp
11、hor-coated inner side of the screen,射线及高能粒子发光(Radioluminescence),应用领域：射线探测、核医学成像；辐射场的探测和辐射剂量的记录等等。,定义：X射线、射线、粒子、粒子、质子或中子等激发下，物质产生的发光叫做射线及高能粒子发光。,发光过程：粒子的减速、高能光子的吸收、电子-空穴对的产生、能量传递到发光中心、光发射。,定义：由化学反应过程中释放出来的能量激发发光物质产生的发光，称作化学发光。,化学发光(Chemical luminescence),用途举例：用于免疫测定技术，将具有高灵敏度的化学发光测定技术与高特异性的免疫反应相结合，用
12、于各种抗原、半抗原、抗体、激素、酶、脂肪酸、维生素和药物等的检测分析技术。,定义：生物体内，由于生命过程的变化产生的发光现象，是一种特殊类型的化学发光，化学能转变为光能的效率几乎为100%。,生物发光(Bioluminescence),发光机理：由细胞合成的化学物质，在一种特殊酶的作用下，使化学能转化为光能。 典型例子：萤火虫、细菌发光、节足动物及鱼类的生物发光等。,什么是发光材料？,光致发光材料 电致发光材料 阴极射线发光材料 X射线发光材料 放射线发光材料,按照激发方式的不同：,发光材料就是指在外界激发作用下能够发光的物质。,按照材料种类不同：,有机发光材料 无机发光材料,二、发光材料有什
13、么用？,1. 照明光源：荧光灯中的荧光粉、LED照明、OLED照明。 2. 显示与显像：电视机（阴极射线管，等离子体平板电视）、LED显示、OLED显示、交通指示等等。 3. 光电转换器：集成光学、光通讯、光电耦合器等。 4. 高能物理辐射探测：高能物理与核物理领域。 5. 核医学成像： 计算机CT、SPECT、PET成像。发光材料用于探测X射线或射线。 6示踪剂和标记物： 生物医学领域，认识生命过程，例如荧光量子点。 7. 其他方面：如水利堪测、X荧光分析、分子生物学、考古学等等,荧光陶瓷,防伪标志,荧光壁画,荧光装饰牌,荧光棒,三、发光材料的发展现状与方向,1灯用荧光粉,第一代荧光粉 19
14、38年: GE推出荧光灯(40W灯光效 ：40 lm/W) 荧光粉： Zn2SiO4：Mn （G） (ZnBe)2SiO4: Mn （R） CaWO4 （B） Cd2B2O5 : Mn （R）,优点：光效比白炽灯提高23倍。 缺点：几种发光材料相对密度、粒度不同，不易匹配，铍镉又有毒性。从1948年开始逐渐被卤粉取代。,1942年: 英国学者A.H.Mckeag等研制成单一组分的羟基磷灰石结构3Ca3(PO4)2.Ca(F.Cl)2: Sb,Mn，也写作Ca10(PO4)6ClF: Sb,Mn， 人们通常称为卤粉。,第二代荧光粉 1948年 卤粉,1948年卤粉 普及应用。其光效由40年代的3
15、040 lm/W提高到65 lm/W(日光色)和7585 lm/W(冷白色、白色、暖白色),缺点: 发光光频中缺少450 nm以下的蓝光和600 nm以上的红光，因而光的显色性差，平均显色指数Ra仅有70左右。加入一定比例的蓝、红粉，Ra可提高，但光效下降。光效与显色性不能同时提高。,优点：单一基质，发光效率高，光色可调（暖白色、白色、冷白色、日光色），价格低廉，至今仍是直管型荧光灯（26mm, 38mm）用重要发光材料，2007年全国产量3200吨。,第三代荧光粉 1971年三基色荧光粉,1971年1972年: Koedam, Thornton等用计算机对灯的光效和显色指数进行了最优化探索，
16、理论上导出低压汞灯中的四条可见区谱线(405, 436, 545, 578 nm)加上450nm，550nm，610nm各有一窄谱线，可使灯的Ra和光效同时提高。,1974年荷兰科学家首次研制成蓝色材料BaMg2Al16O27: Eu，max= 450 nm)和绿色材料MgAl11O9: CeTb，max=545 nm，再加上已有的红色材料Y2O3: Eu，max=611 nm，按一定比例混合（通常称之为三基色材料）制成的40W荧光灯，光效为80 lm/W，平均显色指数Ra可到85，从而解决了荧光灯光效和Ra的矛盾。,70年代以来，持续不断地寻求新型三基色发光材料，现已开拓的三基色材料还有蓝色发光材料: Sr(PO4)6C12:Eu2+; Sr4A114O25:Eu2+；(CaSrBa)10(PO4)6Cl2nB2; 及绿光材料: Y2SiO5:CeTb; LaPO4:CeTb; GdMgB5O10:CeTb。,
