《发光原理》基本概念

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1、1发光的定义：发光就是物体不经过热阶段而将其内部以某种方式吸收的能量直接以光能的形式释放出来的非平衡辐射过程2发光特点:一.冷光 ：1发光体和周围环境的温度几乎是相同的,并不需要加温只有个别中心得到能量，周围大量的中心仍处于未被激发的状态二衰减(余辉） 1从外界吸收能量到放出光来，花费一定时间。 2发出的光既有反映这个物质特点的光谱，又有一定的衰减规律与反射光、散射光、契连科夫辐射等区分发光与热辐射的区别：热辐射 ：任何高于0K的物体都会向外辐射能量2连续光谱（光强随波长的变化关系） 3随着温度的升高,辐射的总功率增大,辐射的光谱分布向短波方向移动平衡辐射 ：效率低（白炽灯10%，主要为红外辐

2、射） 发光:不需要将发光材料加热到高温（如日光灯、显像管等常温下就可产生光发射） 原因：电子在不同高能态上的分布偏离热平衡分布从这些高能态的跃迁而来的光就会比相应温度下同样波长的发射强很多需要以某种方式把能量交给物体使电子到一定高能态激发过程只是在少数中心进行，不会影响物体的温度 可以更有效地把外界提供的能量转化成我们所需要的可见光发光所经历的主要物理过程:1激发过程：发光材料从外界吸收能量，将发光中心从基态激发到激发态 辐射跃迁过程:发光中心从激发态跃迁回基态,多余的能量以光子的形式释放出来 3无辐射跃迁过程:发光中心从激发态跃迁回基态,多余的能量一声子的形式释放到晶格中,导致材料温度的升高

3、 4能量传输过程：输入的激发能在基质与发光中心间、发光中心与发光中心间进行传递 主要参数发射光谱激发光谱种效率互换：1、激发光谱(发光材料特定波长的发光强度与激发光波长的关系。 ） 横坐标吸收光谱，纵坐标吸收强度2. 发射光谱:在一定激发源的激发下,发光材料的发光能量或发光强度按波长的分布 ,横坐标发射光谱，纵坐标相对强度。发光效率：1发光效率反映了材料吸收激发能量后转变为光能的比例2能量效率（功率效率） :发光辐射能量与吸收能量之比 量子效率 :辐射出的量子数与吸收的量子数之比4流明效率 ：发射的光通量与吸收的能量之比分立发光的衰减规律：发光衰减的规律是指数式的 ，只要始态能级相同，相应的发

4、光就有相同的衰减时间 余辉区间的定义：实用上将荧光粉的亮度下降到激发停止的瞬间亮度的10所经历的时间称作余辉时间发光的分类：机械发光机械能（Zn:Mn在振动时发光)物理发光物理能(进一步划分)3化学发光-化学能（荧光棒）4生物发光 生物化学能(萤火虫 常用发光器件的发光类型：玻尔假设： （1)定态假设 ：原子的能量状态是分立的，不连续的可分别以E、E、E3、 来表示 处于一定能量状态的原子是稳定的 即使电子绕原子核作加速运动也不发生电磁辐射 量子力学对此进行了解释 玻尔频率规则 ：当原子从一个定态跃迁到另一个定态时，原子发射或吸收电磁辐射所发射或吸收的电磁辐射的频率为角动量量子化：电子绕原子核

5、作圆周运动的角动量的值为 2氢原子： 基态时的电子轨道半径，称为玻尔半径（。53A)基态能量(-13.6e）结合，电离能。能量简并:对于同一能量,可以对应有几个不同的波函数（简并) 氢原子的能量对量子数l和m是简并的单电子原子的势能只与r有关，与r-1成正比 多电子原子的能量不再对量子数l简并对于同一个值，有n2个波函数即： 与主量子数n相应的能级是重简并的宇称：波函数的宇称就是波函数空间反演的对称性。即对坐标原点是否具有反演对称性 l是偶数-偶宇称l是奇数-奇宇称 跃迁选律：服从选择定则的跃迁称为允许跃迁，否则就称为禁戒的跃迁 电偶极跃迁选择定则 跃迁选择定则 泡利原理：在多电子原子中,任何

6、两个电子都不可能处在相同的量子态 原子的能量状态主要取决于和S，通常用符号2+1来表示,称为光谱项 不同状态的能量不仅与量子数L和S有关，还与J有关 对给定的L和S，能量按值分裂为一系列的精细结构成分 若L=，可能有2S个值，所以,分裂为2+个精细成分若L，J可能有21个值，所以,分裂为L+1个精细成分 每一精细结构成分对应于一组、 S、 J,通常用符号2S+1LJ来表示，称为光谱支项 每个光谱支项也应包含（2J+1）个J值(（+1）个微态） 1光谱项计算(等价电子,非等价电子： n和l至少一个量子数不同的电子称为非等价电子 如2s12p1组态中的两个电子0， l2=1；s1=s2=1/2 L

7、=1;S1,0 L=,S=1时，J2，1,0,光谱支项为 P2、3、3P0 L=1，S=0时，J=1，光谱支项为P1 n、l都相同的电子称为等价电子 如2p、2p、45、3d4等 以p2 为例，按照LS偶合直接计算将得到错误的结果 =,l=1所以:2，1，0，=1，0 所以：2p2组态所对应的光谱项为：D,3P， 3,， 1P，1光谱支项为3，2，1、3P,1，0、 S1、 D2，1P1,1S0微态数目：6 电子排列方式：6/2=1(只能存在15个微态）等价电子原子光谱项的快速算法：1给定一个nl组态,则，和N是已知的，由总电子数可以求出此组态的总自旋量子数,即S=/2，21，N/22，或1

8、在确定的S值中按自旋不同的状态确定不同自旋方向的电子数N,N，再由N,N分别计算出M，MA和ML,MAX,具体计算公式为:L,MAX=（+-），(K=，2，)由ML，MA和ML,AX确定L，L的最大值，然后，再依据一定的规则确定,L的其它较小值最后,再由L，L按矢量和定则求出总轨道角动量量子数L 、计算原则 依据S值由大到小分组求光谱项。每组根据值确定和N数,再求出L，AX和ML，MX，最后确定和L值。当 时或 时， ML,MAX=0,则L=0；当 时或N=2l时,ML,MAX= l ，则L= l； 当 时, 若ML，MAX为奇数，则L取奇数数值组，L=ML,M， ML,MA ，ML，MAX

9、-4， ,1 若L，MAX为偶数，则取偶数数值组，最大的LL,MAX, M,MAX -2, ML,MAX4，0。另加一个各偶数的算术平均值.L的取值规则同L6。 最大的S值组中L取和L按矢量和定则组合得到的数值,其余每组的L取和L组合得到的数值减去前一组L余下的值2,原子基态谱的确定：S：对给定的组态，能量最低的原子态必定具有泡利不相容原理所允许的最大S值（SN/2） ：具有最大L值的态能量最低L= J： 电子数小于等于半满时，值最小的态能量最低(J=S） 电子数大于半满时，J值最大的态能量最低(JL+S）三，洪特规则(能量高低规律）：确定同一组态的原子光谱项和光谱支项的能量高低顺序： Hu第

10、一规则：同一组态中,S值越大能量越低；若值相同，则L值越大能量越低 2 Hund第二规则：若S、L都相同时，电子数小于或等于半充满时，J值小能量低；电子数多于半充满时，J值大能量低。(此条规则常有例外）四 跃迁选律 五光谱项写法（s+)L支项：2s+J 原子的能量状态主要取决于L和S，通常用符号2S1L来表示，称为光谱项 每一精细结构成分对应于一组L、 S、 J，通常用符号2S1LJ来表示，称为光谱支项 第章)直接间谍带半导体：电子的共有化运动使能级变为能带 直接带半导体：价带顶与导带底位于k=0的位置 电子直接从价带跃迁到导带,k值不变 当k=0的跃迁禁戒时 间接带半导体：价带顶和导带底的值

11、不同电子从价带跃迁到导带不仅能量发生变化，动量也发生变化声子参与-吸收或发射声子 声子矢量跃迁概率低间接跃迁光吸收系数吸收一个声子发射一个声子2）能量守恒: 动量守恒分立，复合发光中心的特点:分立:激发的电子可以不和晶格共有，对晶体的导电性没有贡献。复合?周围晶格离子对发光中心只起次要的、也就是微扰的作用 分类：1、分立发光中心激发的电子不会离开发光中心 复合发光中心激发的电子离开发光中心，进入导带电子云膨胀效应:共价键越强,电子间的相互作用越弱,能量差越小,电子跃迁所需要的能量越低晶体场（发光中心周围离子所产生的静电场，通常称为晶体场,简称为晶场）对发光的影响:能级劈裂，部分解除宇称禁戒选律

12、 f跃迁:受迫电偶极跃迁 VJ=0+2- +4-4,。.。 （J=0到J=0禁戒） 超灵敏受迫 V，+2,(J=0到J0禁戒)光谱特点(线状）CT ，F到D规律:电荷迁移带随氧化数增加向低能方向移动,fd跃迁向高能方向移动 四价镧系离子的最低吸收带为CT，二价镧系离子的最低吸收带为fd fd跃迁吸收带半高宽一般较窄，约100cm1,CT则一般约为2000cm1。容易氧化成+4价的C3+，r3,Tb3+的fd跃迁和容易还原成+2价的Eu3+、Y3+等离子的CTS跃迁吸收能量都低于4000cm1，可以与4f能级发生作用导致-发射 但fd跃迁和CT能级若低于4能级，可以观察到从这些能级的跃迁发射 如

13、u2 的4f-15d17的宽带跃迁发射多声子发射:当激发态和基态间的能量差E等于或小于45倍周围环境所能达到的最高振动频率max时,激发态的能量同时激发几个高能振动,无辐射地返回基态，进而降低辐射过程 多声子发射可以猝灭高能级的发射能量传输的定义：能量传输=能量传递+能量输运 能量传递：某发光中心把激发能的全部或一部分转交给另一个中心的过程 两个中心间相互作用引起的一种跃迁，跃迁的结果是激发能由一个中心转移到另一个中心 能量输运：借助于电子或（和）空穴的运动，把激发能从基质晶格的一个中心输运到另一个中心的过程那些现象与能量传输有关：几乎所有的发光材料中都发生着能量传输现象,敏化剂的敏化,猝灭剂

14、的猝灭,上转换发光,合作和组合发光,电致发光中载流子运动能量传输的途径：1）再吸收：基质中的某一中心发光后，发射光波在基质晶格中传输时又被基质自身吸收的现象 光子承担输运能量的任务 输运距离可远可近,受温度影响较小 条件：激活剂的吸收光谱与敏化剂的发射光谱有较大的重叠共振传递：处于激发态的发光中心通过电偶极子，电四偶极子、磁偶极子或交换作用等近场力的相互作用把激发能传递给另一个中心的过程 敏化剂从激发态变为基态、激活剂由基态变为激发态，两个中心能量变化值相等温度对共振传递的影响较小 3）载流子传输 :借助载流子漂移和扩散输运能量电流或光电导特征温度影响显著激子能量传输 ：4S,A SA能量传递的概率与各参量间的关系 PSA与两个中心间的距离R的6次方成反比 S和A距离越近，能量传递的概率越大 PA与S*态的实测寿命成反比， *态的实测寿命越长，越不容易将能量传递给A中心 P与中心的发射效率S及A中心的吸收截面A的乘积成正比 S的发射效率越高，A中心的吸收截面越大，传递概率越大 S中心的发射谱和A中心的吸收谱要有重叠,重叠越大传递概率越大 R可看做S和A之间发射能量传递的临界距离浓度猝灭:当激发能到达一个非辐射损失格位（如消光杂质）时，系统发光效率将被降低，这种现象称为浓度猝灭