發(fā)光材料綜述

1、發(fā)光材料綜述 結構與物性結課作業(yè) 發(fā)光材料綜 學院：物理與電子工程學院 專業(yè)： 材料物理 13-01 學號： 541311020102 姓名： 陳強 結構與物性結課作業(yè) 學號： 541311020102 姓名：陳強 發(fā)光材料綜述 摘要： 能夠以某種方式吸收能量，將其轉化成光輻射（非平衡輻射）物質叫做發(fā) 光材料。發(fā)光是輻射能量以可見光的形式出現(xiàn)。輻射或任何其他形式的能量激 發(fā)電子從價帶進入導帶， 當其返回到價帶時便發(fā)射出光子 （能量為 1.83.1eV ） 如果這些光子的波長在可見光范圍內，那么，便產生了發(fā)光現(xiàn)象。 0 引言 發(fā)光材料是國家重要戰(zhàn)略能源，在人們的日常生活中也占據(jù)著重要地位， 被廣

2、泛應用于各個領域，因此對發(fā)光材料 的研制和運用受到越來越多的關注。 本文基于發(fā)光材料研究現(xiàn)狀，分析發(fā)光材料種類和制備方式，并介紹幾種 不同發(fā)光材料在生活中的應用，以期推動我國發(fā)光材料研究探索，為國家建設 和人們生活水平提高提供助力。發(fā)光材料是人類生活重要材料之一，在航天科 技、海洋 運輸、醫(yī)學醫(yī)療、出版印刷等各個領域被廣泛應用，具有極為重要的 戰(zhàn)略地位。 隨著科學技術的發(fā)展，發(fā)光材料研究已經成為了我國科學界廣泛關注的焦 點，其運用技術直接關系到人們日常生活質量和國防建設，因此如何推動發(fā)光 材料研制，將其更加安全、合理、高效的應用于生產生活中，成為了亟待解決 的問題。 1 發(fā)光材料分類 發(fā)光材料

3、按激發(fā)的方式可分為以下幾類： 1.1 光致發(fā)光材料 用紫外、可見及紅外光激發(fā)發(fā)光材料而產生的發(fā)光稱為光致發(fā)光，該發(fā)光 結構與物性結課作業(yè) 學號： 541311020102 姓名：陳強 材料稱為光致發(fā)光材料 光致發(fā)光過程分為三步： 吸收一個光子；把激光能轉移到熒光中心； 由熒光中心發(fā)射輻射。 發(fā)光的滯后時間約為 10-8s 的稱為熒光，衰減時間大于 10-8s 的稱為磷光 光致發(fā)光材料一般可分為熒光燈用發(fā)光材料、長余輝發(fā)光材料和上轉換發(fā) 光材料。 按發(fā)光馳豫時間分類，光致發(fā)光材料分為熒光材料和磷光材料。 圖1 1.2 電致發(fā)光材料 所謂電致發(fā)光是在直流或交流電場作用下，依靠電流和電場的激發(fā)使材料

4、 發(fā)光的現(xiàn)象，又稱場致發(fā)光。這種發(fā)光材料稱為電致發(fā)光材料，或稱場致發(fā)光 材料。 結構與物性結課作業(yè) 學號： 541311020102 姓名：陳強 1. 本征式場致發(fā)光 簡單地說，本征式場致發(fā)光就是用電場直接激勵電子，電場反向后電子 與中心復合而發(fā)光的現(xiàn)象。 2. 注入式發(fā)光 注人式場致發(fā)光是由 - 族和 - 族化合物所制成的有 p - n 結 的二極管，注人載流子，然后在正向電壓下， 電子和空穴分別由 n 區(qū)和 p 區(qū) 注人到結區(qū)并相互復合而發(fā)光的現(xiàn)象。又稱 p-n 結電致發(fā)光 目前大概可以有以下幾種材料 : 1.2.1 直流電壓激發(fā)下的粉末態(tài)發(fā)光材料 目前常用的直流電致發(fā)光材料有 Zn S:

5、Mn，Cu，其發(fā)光亮度大約為 350 cd/m。 其他還有 Zn S:Ag 可發(fā)出藍光 ; （Zn.Cd）S:Ag 可發(fā)出綠光。另外還有一些在 Ca S、Sr S 等基質中摻雜稀土元素的材料。 1.2.2 交流電壓激發(fā)下的粉末態(tài)發(fā)光材料 這種材料與直流電壓激發(fā)下的發(fā)光材料有較高的流明效率（直流為 0.5 Im/W，交流可達 15 Im/ ）所以它應用的較為普遍。以 Zn S為代表，可在 Zn S 粉末中摻入銅氯、銅錳、銅鉛、銅等激活劑后，與介電常數(shù)很高的有機介質相 混合后制成?？砂l(fā)出紅、橙、黃、綠、藍等各種色彩的光。其中激活劑以質量 百分比計，燒成時間均為 1 h 。 1.2.3 薄膜型電致發(fā)

6、光材料 它與以上兩種基本相似，只是其中不需要有機介質，可以在較高的高頻電 壓下工作，發(fā)光亮度很高，發(fā)光效率也較高，可達幾個流明 / 瓦。 1.2.4 p-n 結型電致發(fā)光材料 即發(fā)光二極管所用材料。發(fā)光二極管是一種在低電壓下發(fā)光的器件，它可 結構與物性結課作業(yè) 學號： 541311020102 姓名：陳強 使用單晶或單晶薄膜材料。發(fā)光二極管簡稱LED（Light Emitting Dicde 的 縮寫），最早出現(xiàn)在 1968 年，由美國 H（P 新惠普的前身）首先以磷砷化鎵（GaA sP） 為材質制成的黃色 LED（屬于冷光）具有耗電量小、壽命長、反應快、體積小、 耐候性好等優(yōu)點，被譽為第二次

7、照明革命。 1990年開發(fā)了磷化銦鎵（Al GaIn P） 與氮化鎵（ Ga N）等 2 種材料后，長期以來，可見光 LED 的發(fā)展方向是以高亮 度化、全彩化和白光化為主。 圖 2 p-n 結電致發(fā)光原理 a）熱平衡狀態(tài)；（b）加正偏壓時的狀態(tài) 1.3 熱致發(fā)光材料。 發(fā)光材料在熱（隨溫度的變化）的作用下而激發(fā)發(fā)光的材料叫做熱致發(fā)光 材料。熱致發(fā)光又稱熱釋光 1 。受激發(fā)后的發(fā)光體在停止發(fā)光后，對其加熱 升溫，又繼續(xù)發(fā)光并逐漸加強的現(xiàn)象叫熱釋發(fā)光。但熱能不是用來激發(fā)發(fā)光， 而是釋放光能的。加熱使發(fā)光材料貯存的激發(fā)能逐漸釋放出來。這種現(xiàn)象與發(fā) 光材料中的電子陷阱相聯(lián)系。 結構與物性結課作業(yè) 學號

8、： 541311020102 姓名：陳強 1.4 射線致發(fā)光材料 射線致發(fā)光指發(fā)光材料在加速電子的轟擊下的激發(fā)發(fā)光。射線致發(fā)光材料 可分為陰極射線致發(fā)光材料和放射線致發(fā)光材料兩種。 陰極射線致發(fā)光是由電子束轟擊發(fā)光物質而引起的發(fā)光現(xiàn)象。 放射線致發(fā)光是由高能的、 X 射線轟擊發(fā)光物質而引起的發(fā)光現(xiàn)象。 陰極射線致發(fā)光材料是指在陰極射線激發(fā)下能發(fā)光的材料，也稱為電子束 激發(fā)發(fā)光材料。 x 放射線致發(fā)光的發(fā)光原理為： 發(fā)光材料在 X 射線照射下發(fā)生康普頓效應和 吸收 X 射線，均可產生高速的光電子。光電子經過非彈性碰撞，產生第二、三 代電子。這些電子可激發(fā)或離化發(fā)光中心，發(fā)出光來。因而，一個 X

9、射線的光 子可以引起很多個發(fā)光光子。 1.5 等離子發(fā)光材料 發(fā)光材料在等離子體的作用下的激發(fā)發(fā)光。 等離子體是高度電離化的多種粒子存在的空間，其中帶電粒子有電子、正 離子，不帶電的粒子有氣體原子、分子、受激原子、亞穩(wěn)原子等。由于氣體的 高度電離，所以帶電粒子的濃度很大，而且?guī)д娕c帶負電粒子的濃度接近相 圖 3 復合發(fā)光示意圖 結構與物性結課作業(yè) a）電子與正離子復合（ b）正負兩種離子復合 學號： 541311020102 姓名：陳強 氣體的電子得到足夠的能量之后，可以完全脫離原子，即被電離。這種電 子比在固體中自由得多，它具有較大的動能，以較高的速度在氣體中飛行。而 且電子在運動過程中與

10、其他粒子會產生碰撞，使更多的中性粒子電離。在大量 的中性粒子不斷電離的同時，還有一個與電離相反的過程，就是復合現(xiàn)象。如 圖 3 所示。 復合就是兩種帶電的粒子結合形成中性原子。在復合過程中，電子將能量 以光的形式放出來，即能輻射出頻率為的光。 圖 4 材料光吸收的本質 2 材料的發(fā)光機理 2.1 分立中心發(fā)光 （未離化 ） 發(fā)光材料的發(fā)光中心（即發(fā)光體內部在結構中能發(fā)光的分子）受激發(fā)時并 結構與物性結課作業(yè) 學號： 541311020102 姓名：陳強 未離化，即激發(fā)和發(fā)射過程在彼此獨立的、個別的發(fā)光中心內部的發(fā)光叫做分 立中心發(fā)光。這種發(fā)光是單分子過程，并不伴隨有光電導，故又稱“非光電導 型

11、”發(fā)光。分立中心發(fā)光有兩種情況： 圖 5 分立中心發(fā)光 a）自發(fā)發(fā)光 （b ） 受迫發(fā)光 （ 1）自發(fā)發(fā)光。受激發(fā)的粒子（如電子）受粒子內部電場作用從激發(fā)態(tài)A 回到基態(tài) G時的發(fā)光，叫自發(fā)發(fā)光，如圖 5（a）所示。 自發(fā)發(fā)光的特征是，與發(fā)射相應的電子躍遷的幾率基本上決定于發(fā)射體內 的內部電場，而不受外界因素影響。 （ 2）受迫發(fā)光。 受激發(fā)的電子只有在外界因素影響下才發(fā)光， 叫受迫發(fā)光。 受迫發(fā)光的特征是，發(fā)射過程分為兩個階段，如圖 5（b） 所示，受激發(fā)的電 子出現(xiàn)在受激態(tài) M上時，從狀態(tài) M直接回到基態(tài) G上是禁阻的。在 M上的電子， 一般也不是直接從基態(tài) G上躍遷來的，而是電子受激后，先由基態(tài) G躍遷到 A， 再到 M態(tài)上， M這樣的受激態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)。受迫發(fā)射的第一階段是由于熱起伏， 電子吸收能量后，從 M態(tài)上到 A，要實現(xiàn)這一步，電子在 M態(tài)上需要花費時間， 等待機會，從 A 態(tài)回到 G態(tài)是允許的，這就是受迫發(fā)射的第二階段。由于這種 發(fā)光要經過亞穩(wěn)態(tài)，故又稱為亞穩(wěn)態(tài)發(fā)光。 2.2 復合發(fā)光 （ 離化 ） 發(fā)光材料受激發(fā)時分離出一對帶異號電荷的粒子，一般為正離子（ 空穴 ） 和 結構與物性結課作業(yè) 學號： 541311020102 姓名：陳強 電子，這兩種粒子在復合時便發(fā)光，叫復合發(fā)光。由于離化的帶電粒子在發(fā)光 材料中漂移或擴散，從而構成特征性