固体发光2-1

第二章发光材料及其特征2.2发射光谱（发光光谱）在一定激发源的激发下，发光材料的发光能量或发光强度（也可用光子数目表示，都是相对值）按波长(或频率）的分布。表征发光的主要性能指标它类似人的指纹，是发光材料独具的特征。光谱的形状决定于发射体——发光中心稀土离子过渡金属离子Ti钛CrMn重金属离子SbTlBi铋离子团WO42-线谱:光谱由许多强弱不同的谱线组成。实际上并非几何意义的线，而是有一定的宽度。发射光谱的类型：线谱带谱：在一定波长范围内，发射能量的分布连续变化。带谱曲线A为示波器显示屏用Zn2SiO4:Mn2+，发黄绿光。曲线B为（Zn，Be）2SiO4:Mn2+，发偏红的白光同样用Mn2+做激活剂，基质不同，发光相差很远。用不同的基质，可以获得几乎从蓝到红的各色发光说明：晶格场对发光离子的能级有影响例1说明：ZnS:Cu有两种发光中心，一种发蓝光，一种发绿光，每一个谱带代表一个中心的发射。通常，同一结构的发光中心的发射光谱可用Gauss函数描述。ZnS:Cu光谱的形状可以分解为两个谱带的叠加。注意：式中能量分布用频率表示，而不是用波长例2Eυ=Eυ0exp[-a(υ-υ0)2]υ—频率，Eυ、Eυ0—频率υ,υ0处相对强度，а—与谱带宽度有关的常数，υ0-特征频率三价稀土离子做发光中心时，晶格场对其能级的影响很小，光谱仍为线谱，且在不同基质中没有大的变化。由光谱可确定发光中心是哪种稀土离子，从谱线的微小变化可以了解到晶格的作用，进而可以确定离子在晶格中的位置。例3晶体中分散的孤立分子、原子、离子或离子团的发光——分立中心发光对半导体的情况，发射体是电子-空穴对——复合发光复合发光需要用固体的能谱理论来分析发射光谱。光的吸收系数随波长或频率的变化关系曲线，称为吸收光谱。2.3吸收光谱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作用。研究哪些波长被吸收，吸收多少，显然是很重要的。发光材料对光的吸收遵循：I(v)=I0(v)e-a（v）l（忽略其他能量损失）I0(v)——入射光强；I(v)——透射光强；l——样品厚度a——吸收系数（不依赖光强、但随波长变化而变化）光可被基质吸收（基本吸收带或本征吸收带），也可被激活剂和其他杂质吸收。注意：a的量纲是cm-1,光通过该物质1cm后，其强度将减至入射强度的1/ea。是指发光的某一谱线或谱带的强度随激发光波长（或频率）的变化（用于光致发光）。横轴代表所用的激发光波长，纵轴代表发光的强弱。内涵：激发光谱反映不同波长的光激发材料的效果。表示对发光起作用的激发光的波长范围。吸收光谱只说明材料的吸收，至于吸收后是否发光，则不一定。把吸收光谱和激发光谱相互对比，就可判断哪些吸收对发光是有贡献的，哪些是不起作用的。2.3激发光谱监控波长——发射光谱中被监控的波长激发光谱表明了哪些频率或波长的激发对发光是最有效的，在实际应用中有重要的意义。如果激发光源的光谱峰值波长与发光材料的激发光谱峰值波长一致，就能够得到较高的发光效率。反之，当激发光源的光谱一定时，就需要选择具有合适激发光谱的发光材料。有些材料，本来不能用某一波长的光有效地激发，当材料中掺入其它杂质后，该杂质能更有效的吸收激发能量，传递给发光中心使其发光。2.6发光衰减发光体在激发停止后会持续发光一段时间，这就是发光衰减（余辉）。它是发光现象的最重要特征之一，是区分发光现象和其他光发射现象的一个关键标志。发光的持续反映了物质在激发态的滞留，持续时间对应激发态的寿命。假定发光材料中某种离子被激发，激发停止后（t=0)，在某一时刻t共有n个电子处在某一激发能级，求dt时间内激发态电子减少的数目。用a表示电子跃迁到基态的几率A）分立发光——自发跃迁几率设E2上粒子数(密度)为n2,时间dt内、单位体积内自发从E2跃迁到E1的粒子数为dn21a是粒子能级结构的特征量(对一种粒子的每两个能级来说是常量)分离变量：由此可以得到n0是激发停止时（t=0）已被激发的电子数（ 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 2）设在dt时间内跃迁到基态的电子数目为dn，则dn=-andt（公式1）可见:高能级上的粒子数随时间t按指数律衰减。可以证明：电子在激发态的平均寿命就是τ=1/a。n0是初始时刻（t=0）被激发的电子数，已知寿命是指电子数变为初始电子数的1/e时所经历的时间，证明：电子在激发态的平均寿命就是τ=1/a。因为所以令：=即：-at=-1求解：寿命t=1/a。发光强度I应该正比于电子跃迁到基态的速率，即I∝dn/dt可得：I=I0e-at(由公式2直接得知)在τ秒后，发光强度为初始强度1/e。τ称衰减常数，为发光的寿命。发光材料的τ值，短至毫微秒数量级，长达几秒、几十秒甚至更长。实验中，测出不同时间的发光强度，在半对数坐标纸上作图，可以得到一条直线，其斜率就是a，从而可以得到τ值。可见:自发发射光功率随时间t亦按指数律衰减设跃迁过程为发光跃迁B）复合发光假设两类载流子数目相等，都等于n任何一个载流子都可以和异号的任何一个载流子复合双分子发光的衰减过程，非指数发光衰减Ao——复合速率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显示技术中常用的余辉划分为了适应人眼的频率响应特性，家用电视要求20~30ms以下的中（短）余辉荧光粉三基色荧光粉的余辉特性要求基本一致（有时需要特意引入适当的猝灭剂，如Ni，Co等）通常有三种表示法：量子效率ηq功率效率（能量效率）ηp光度效率（流明效率）ηl2.7发光效率发光效率反映了材料吸收激发能量后转变为光能的比例发光效率能反映能量在物质中的转换机制，如离子和环境的作用，离子间的相互作用等。量子效率ηq：是指发射的光子数Nf与激发时吸收的光子数（或电子数）Nx之比。注意：阴极射线发光和射线发光不用量子效率这个概念。因为，激发这两种发光的电子或射线，能量都很大，它们进入发光体后不直接激发发光中心，而是产生大量的二次电子，一个能量为上千电子伏特的电子或高能粒子，最后能激发千百个发光中心，产生千百个光子。如果说量子效率有那么大，是没什么意义的。重要的是，次级电子的能量低到什么程度，才能激发一个发光中心。实际上，阴极射线发光的能量效率不会超过25%。发光一般总有能量损失，激发光光子能量常大于发射光光子能量。当激发光波长比发光波长短很多时，这种能量损失（斯托克斯损失）就很大。如日光灯中激发光波长为254nm（汞线），发光的平均波长可以算作是550nm。因此，即使量子效率为1（或100%），但斯托克斯能量损失却有1/2以上。所以量子效率反映不出来，引入功率效率。功率效率（能量效率）ηp：是指发射光的光功率Pf与被吸收的光功率Px（或激发时输入的电功率）之比。电致发光中，测出所加电压和通过样品的电流；阴极射线发光，测出所用电压和进入发光材料的电子流。发光谱带总是位于其相应激发谱带的长波边Stokes定律：发光的光子能量小于激发光的光子能量斯托克斯定律(下转换发光)光致发光能量效率和量子效率的关系能量效率由量子效率和能量转换效率共同决定：下转换发光发射光子的能量比激发光子的能量低，其能量转换效率：发射波长激发波长发光带的平均波长例如：日光灯荧光粉发光的能量效率最大在50%左右，气体放电产生254nm汞线的效率一般也在50%左右，因此，如果忽略镇流器和其他附件的损耗，通常日光灯的能量效率最大为25%。发光器件总要作用于人眼。人眼只能感觉到可见光，且在可见光范围内，对不同波长光的敏感程度差别极大。人眼对555nm绿光最敏感，随波长变化其相对视感度通常用视见函数V（λ）（光谱光效率函数）表示：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。用人眼衡量发光器件功能时，引入流明效率。流明效率ηl：发射的光通量L（以流明为单位）与激发时输入的电功率或被吸收的其他形式能量总功率Px之比。日光灯：80-100lm/w，白光LED:120lm/w辐射通量光通量？辐射通量(W)光通量(lm)1W=?lm如何折算？辐射通量(W)光通量(lm)V(λ)1瓦555nm的单色光辐射通量＝683流明的光通量光通量是辐射通量中用光谱光效率函数V(λ)折算到能引起人眼光刺激的那一部分通量。对于其它波长的单色光，1W辐通量引起的光刺激值都小于683lm（比如650nm的红色，1W的光仅相当于73lm),它们的数值关系就是光谱光效率函数。国际照明委员会CIE规定：流明效率和功率效率的关系Km=683lm/W为明视觉条件下波长λ=555nm、V(λ)=1单色光的光谱光效能值（光通量与辐射通量的转换当量)对于整个可见辐射范围内的总光通量Φv，可由在整个可见光谱范围内积分求得：Φ=明视觉条件下：流明效率和功率效率的关系:作业：1、列举常见的荧光粉器件，并根据发光材料的激发方式说明其中发光材料的发光类型。2、一种日光灯用荧光粉的量子效率为0.8，发光峰值波长为500nm，计算该荧光粉在250nm紫外光激发下的功率效率和流明效率（人眼对500nm光的视见灵敏度为0.323）3、分别说明分立发光和复合发光的衰减规律