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1、固体发光材料与应用固体发光材料与应用任课教师：卢利平任课教师：卢利平材料科学与工程学院材料科学与工程学院通通过过深深入入浅浅出出的的讲讲解解使使同同学学们们对对光光与与物物质质相相互互作作用用的的基基本本物物理理现现象象；固固体体发发光光的的条条件件、过过程程和和规规律律；发发光光材材料料和和器器件件的的设设计计原原理理、制制备备方方法法和和应应用用等等有有一一个个较为全面的认识和了解。较为全面的认识和了解。 课程目的课程目的与任务与任务课程内容课程内容目目 录录第一章 绪论第二章 发光的主要特征 第三章 发光中心与发光光谱 第四章 发光材料制备方法 第五章 灯用荧光材料第六章 长余辉发光材料
2、第七章 上转换发光材料第八章 电致发光材料第九章 固体激光材料第十章 LED及LED用荧光材料OLED LCD第一章第一章 绪绪 论论发光：即发光：即Luminescence一词，作为一个技术一词，作为一个技术名词，是专指一种特殊的光发射现象。名词，是专指一种特殊的光发射现象。自然界很多物体（包括固体、液体和气体，有自然界很多物体（包括固体、液体和气体，有机物和无机物），都具有发光的性能。机物和无机物），都具有发光的性能。 如发光水母一样的如发光水母一样的“希望树希望树”种子；种子；郁郁葱葱、奇妙的郁郁葱葱、奇妙的发光发光森林森林；可当房子居住的参天巨树；可当房子居住的参天巨树；色彩斑斓神气活
3、现的茂密雨林色彩斑斓神气活现的茂密雨林影片影片阿凡达阿凡达： 男主角杰克男主角杰克 潘多拉星球潘多拉星球非非洲洲北北部部有有一一种种发发光光树树，白白天天与与普普通通树树没没区区别别。但但每每到到晚晚上上，从从树树干干到到树树枝枝通通体体会会发发出出明明亮亮的的光光。由由于于这这种种树树发发出出的的光光比比较较强强烈烈，当当地地人人经经常常把把它它移移植植到到自自家家的的门门前前作作为为路路灯灯使使用用。在在夜夜间间，人人们们可可以以在在树树下下看书甚至做针线。看书甚至做针线。科科学学家家解解释释：这这种种树树之之所所以以会会发发光光，是是因因为为其其树树根根特特别别喜喜欢欢吸吸收收土土壤壤中
4、中的的磷磷。这这种种磷磷会会在在树树体体内内转转化化成成磷磷化化氢氢，而而磷磷化化氢氢一一遇遇到到氧氧气气就就会会自自燃燃，从从而而使使得得树树身身磷光闪烁。磷光闪烁。 发光树：发光树： 发发光光树树不不仅仅在在非非洲洲有有，在在乌乌克克兰兰西西部部甚甚至至有有一一个个能能在在夜夜间间发发出出奇奇光光的的“发发光光森森林林”。长长约约1.81.8万万米米，宽宽约约50005000米米。白白天天看看起起来来与与一一般般森森林林没没有有什什么么两两样样，可可是是一一到到夜夜间间，整整个个树树林林像像用用荧荧光光粉粉涂涂过过一一样样放放着着耀眼的光。耀眼的光。 据据称称，这这片片森森林林不不仅仅会会
5、发发光光，如如果果人人靠靠近近的的话话，还还会会有有一一种种热热乎乎乎乎的的感感觉觉。更更加加奇奇怪怪的的是是，这这片片林林子里没有任何飞禽走兽，甚至连昆虫都没有。子里没有任何飞禽走兽，甚至连昆虫都没有。科科学学家家猜猜测测：这这一一地地区区可可能能有有强强烈烈的的放放射射性性辐辐射射，草木吸收这些放射性元素后，也产生了发光效应。草木吸收这些放射性元素后，也产生了发光效应。 发光森林：发光森林：萤火虫萤火虫 栉水母栉水母生生物物界界说说到到发发光光，首首先先想想到到萤萤火火虫虫，除除此此之之外外大大自自然然中中还还有有许许多多能能够够发发光光的的生生物物，如如一一些些生生活活在在海海里里的的鱼
6、鱼、虾虾、水水母、珊瑚、贝类和蠕虫等。母、珊瑚、贝类和蠕虫等。百慕大三角洲发现的荧光虾百慕大三角洲发现的荧光虾日本富山湾海下栖息着大量荧光乌贼，有时，上百万的荧日本富山湾海下栖息着大量荧光乌贼，有时，上百万的荧光乌贼聚集在一起，可以把整个海湾照亮。光乌贼聚集在一起，可以把整个海湾照亮。发光蚯蚓发光蚯蚓美美国国南南部部生生活活着着一一种种长长达达4545厘米的发光蚯蚓。厘米的发光蚯蚓。这这种种蚯蚯蚓蚓一一旦旦被被伤伤害害，就就会会分分泌泌出出闪闪烁烁着着蓝蓝光光的的黏黏液。液。铁路蠕虫铁路蠕虫身身上上长长有有两两种种不不同同的的发发光光器官。器官。仿仿佛佛圣圣诞诞树树一一般般，头头部部发发出红光
7、，身子闪烁绿光。出红光，身子闪烁绿光。 通通常常强强烈烈发发光光的的植植物物多多是是低低等等菌菌类类 ( (如如细细菌菌、真真菌菌和和藻藻类植物类植物) )。 也也有有发发朽朽树树桩桩、木木块块，在在黑暗中发出蓝白色荧光。黑暗中发出蓝白色荧光。 荧光菌荧光菌发光蘑菇发光蘑菇 发光菌类植物：发光菌类植物：研研究究发发现现：树树桩桩已已被被假假蜜蜜环环菌菌寄寄生生，它它们们分分泌泌酶酶，将将纤纤维维素素、木木质质素素转转化化为为小小分分子子物物质质，吸吸收收后后繁繁衍衍、长长大大，积积累累大大量量能能产产生生荧荧光光的的物物质质。这这些些带带荧荧光光的的物物质质在在荧荧光光酶酶的的催催化化作作用用
8、下下进进行行生生物物氧氧化化，并并把把化化学学能能转转化化为为光光能能，就就是是我我们们看看到到的的这这种生物光了。种生物光了。古代古代“夜明珠夜明珠”，是指，是指能够在夜晚（或暗室中）能够在夜晚（或暗室中）自行发光的天然物体。自行发光的天然物体。而且这种光是人用肉眼而且这种光是人用肉眼能够直接看到的光。能够直接看到的光。萤石萤石 夜明珠：夜明珠： 2020世世纪纪4040年年代代，前前苏苏联联科科学学家家发发现现：在在置置于于高高频频电电场场中中的的生生物物体体周周围围，会会闪闪动动着着色色彩彩绚绚丽丽的的光光环环和和光光点点，而而当当生生物物体体死死亡亡后后，这这种种光光环环和和光光点点也
9、也随随着着消失。消失。 同同法法研研究究人人体体，惊惊奇奇的的发发现现人人体体的的各各部部位位发发出出的的光光有有不不同同的的颜颜色色：手手臂臂是是蓝蓝色色的的、心心脏脏是是深深蓝蓝的的、臀臀部部是是浓浓绿绿色色的的。更更有有趣趣的的是是，人人体体某某些些部部位位发发出出的的光光非非常常强强，恰恰好好与与古古代代中中国国人人发发现现的的700700多多个个穴穴位位相对应。相对应。 人体发光：人体发光：一、发光现象一、发光现象二、激发方式二、激发方式三、发光材料三、发光材料发发光光：是是物物体体内内部部以以某某种种方方式式吸吸收收的的能能量量转转化化为光辐射的过程。为光辐射的过程。物体发光的条件
10、、过程和规律；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；发光材料和器件的设计原理、制备方法和应用；以光和物质的相互作用等基本物理现象。以光和物质的相互作用等基本物理现象。一、发光现象一、发光现象发发光光学学内内容容并非一切光辐射都称为发光。发光是光辐射一部分。并非一切光辐射都称为发光。发光是光辐射一部分。* * 注意注意 * * ：平衡辐射：是炽热物体的光辐射，又叫热辐射。平衡辐射：是炽热物体的光辐射，又叫热辐射。非非平平衡衡辐辐射射：在在某某种种外外界界作作用用激激发发下下，物物体体偏偏离离原原来的热平衡态所产生的辐射。发光是其一种。来的热平衡态所产生的辐射。发光
11、是其一种。光辐射光辐射 = = 平衡辐射平衡辐射 + + 非平衡辐射非平衡辐射起因于物体的温度。起因于物体的温度。T,T,热平衡热平衡( (准平衡准平衡),),相应热辐射。相应热辐射。热辐射体的光谱只决定于辐射体的温度及其发射本领。热辐射体的光谱只决定于辐射体的温度及其发射本领。热热辐辐射射：温温度度在在0K0K以以上上的的任任何何物物体体都都有有热热辐辐射射，但但温温度度不不够够高高时时辐辐射射波波长长大大多多在在红红外外区区，人人眼眼看看不不见见。物物体体的的温温度度达达到到50005000以以上上时时，辐辐射射的的可可见见部部分分就就够够强强了，例如烧红了的铁，电灯泡中的灯丝等等。了，例
12、如烧红了的铁，电灯泡中的灯丝等等。& （1）发光与热辐射的区别：）发光与热辐射的区别：开始不发光开始不发光 黄白色黄白色橙色橙色暗红暗红发发光光：叠叠加加在在热热辐辐射射之之上上的的一一种种光光发发射射。发发光光材材料料能能够够发发出出明明亮亮的的光光，而而它它的的温温度度却却比比室室温温高高不不了了多多少少。因此发光有时也被称为因此发光有时也被称为“冷光冷光”。 炼钢的热辐射非平衡辐射有许多种，除了发光以外，还有反射、散射等。非平衡辐射有许多种，除了发光以外，还有反射、散射等。光光辐辐射射的的特特征征一一般般可可用用5个个宏宏观观光光学学参参量量描描述述：亮亮度度、光光谱谱、相相干性干性、偏
13、振度偏振度和和辐射期间辐射期间。& （2）发光与其他非平衡辐射的区别：）发光与其他非平衡辐射的区别：亮度亮度：亮度高低不能区分各种类型的非平衡辐射；：亮度高低不能区分各种类型的非平衡辐射；光光谱谱改改变变及及非非相相干干性性：不不仅仅在在发发光光中中存存在在，在在联联合合散散射射和和康康普普顿顿- -吴吴有有训训效效应应中中也也有有。而而且且，作作为为在在特特定定条条件件下下的的发发光光，如如激激光光（受受激激发发射射）及及超超辐辐射射（特殊条件下的自发发射），具有相干性。（特殊条件下的自发发射），具有相干性。偏振度偏振度：在发光现象中并没有带普遍性的特点。：在发光现象中并没有带普遍性的特点。
14、辐辐射射期期间间：是是判判据据。发发光光有有一一个个比比较较长长的的延延续续时时间间(Duration)(Duration)，这这个个延延续续时时间间有有长长有有短短，总总之之都都比比反反射、散射的持续时间长很多。射、散射的持续时间长很多。l 辐射期间：辐射期间：是指去掉激发后，辐射还可延续的时间。是指去掉激发后，辐射还可延续的时间。此此延延续续时时间间长长可可达达几几十十小小时时，短短也也有有1010-10 -10 秒秒左左右右，总总之都比反射、散射的持续时间（之都比反射、散射的持续时间（ 1010-14-14秒）长很多。秒）长很多。在在激激发发(Excitation)(Excitation
15、)即即外外界界作作用用停停止止后后发发光光不不马马上上消消失失而是逐渐变弱，这个过程称为余辉而是逐渐变弱，这个过程称为余辉(afterglow)(afterglow)。荧光荧光(Fluorescence)(Fluorescence)磷光磷光(Phosphorescence)(Phosphorescence)无机物发光领域这两词仍没有严格区分，甚至混淆。无机物发光领域这两词仍没有严格区分，甚至混淆。但但在在有有机机物物发发光光中中，分分子子从从单单态态（singletsinglet）跃跃迁迁到到基基态态（也也是是单单态态）的的发发光光叫叫荧荧光光，从从三三重重态态（triplet triplet
16、 statestate）跃跃迁迁到到基基态态的的发发光光叫叫磷磷光光，这这是是不不容容混混淆的。淆的。1010-10-10秒数量级指标有点任意性，技术测量水平。随发展，测量时间已突破飞秒数量级指标有点任意性，技术测量水平。随发展，测量时间已突破飞秒（秒（1010-15-15秒）。实测到的发光弛豫时间短到皮秒（秒）。实测到的发光弛豫时间短到皮秒（1010-12-12秒）的例子已不少。秒）的例子已不少。名名 称称激激 发发 方方 式式光致发光光致发光光的照射光的照射电致发光电致发光气体放电或固体受电的作用气体放电或固体受电的作用阴极射线发光阴极射线发光电子束的轰击电子束的轰击放射线发光放射线发光核辐射的照射核辐射的照射X X射线发光射线发光X X射线的照射射线的照射摩擦发光摩擦发光机械压力机械压力化学发光化学发光化学反应化学反应生物发光生物发光生物过程生物过程发光体受外界作用而发光发光体受外界作用而发光, ,发光学中称这种作用为激发。发光学中称这种作用为激发。根据激发方式，区别发光类型。根据激发方式，区别发光类型。二、激发方式二、激发方式用光激发产生的发光。用光激发产生的发光。& 光致发光
