光致發(fā)光材料熒光光譜分析ppt課件

1、 光致發(fā)光資料熒光光譜分析光致發(fā)光資料熒光光譜分析 、吸收光譜、吸收光譜、反射光譜、反射光譜 、激發(fā)光譜、激發(fā)光譜 、發(fā)光光譜發(fā)射光譜、發(fā)光光譜發(fā)射光譜 、能量傳輸、能量傳輸、發(fā)光和猝滅、發(fā)光和猝滅、斯托克斯定律和反斯托克斯發(fā)光、斯托克斯定律和反斯托克斯發(fā)光 、發(fā)光效率、發(fā)光效率 、熱致釋光與紅外釋光、熱致釋光與紅外釋光 2發(fā)光景象發(fā)光景象 ： 當物質(zhì)遭到諸如光照、外加電場或電子束轟擊等的當物質(zhì)遭到諸如光照、外加電場或電子束轟擊等的激發(fā)后，吸收了外界能量，其電子處于激發(fā)形狀，物質(zhì)激發(fā)后，吸收了外界能量，其電子處于激發(fā)形狀，物質(zhì)只需不因此而發(fā)生化學變化，當外界激發(fā)停頓以后，處只需不因此而發(fā)生化學

2、變化，當外界激發(fā)停頓以后，處于激發(fā)形狀的電子總要躍遷回到基態(tài)。在這個過程中，于激發(fā)形狀的電子總要躍遷回到基態(tài)。在這個過程中，一部分多余能量經(jīng)過光或熱的方式釋放出來。假設(shè)這部一部分多余能量經(jīng)過光或熱的方式釋放出來。假設(shè)這部分能量是以光的電磁波方式發(fā)射出來，就稱為發(fā)光景象。分能量是以光的電磁波方式發(fā)射出來，就稱為發(fā)光景象。 即：發(fā)光就是物質(zhì)內(nèi)部以某種方式吸收能量以后，即：發(fā)光就是物質(zhì)內(nèi)部以某種方式吸收能量以后，以熱輻射以外的光輻射方式發(fā)射出能量的過程。以熱輻射以外的光輻射方式發(fā)射出能量的過程。 案案 例例 1 圖6-1 CaS:Eu,Sm激發(fā)光譜監(jiān)控波長630nm20030040050060070

3、0050010001500200025003000262.4534.4Intensity/a.u.wavelength/nm550600650700010002000300040005000567627.8Intensity/a.u.wavelength/nm圖6-2 CaS:Eu,Sm熒光光譜激發(fā)長534nm案案 例例 1 5506006507007500500100015002000250030003500629.8Intensity/a.u.wavelength/nm8001000120014001600020406080100Intensity/a.u./nm圖6-3 CaS:Eu,S

4、m紅外上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜980nm激發(fā)圖6-4 CaS:Eu,Sm紅外呼應(yīng)光譜5 當光照射到發(fā)光資料上時，一部分被反射、散射，一部當光照射到發(fā)光資料上時，一部分被反射、散射，一部分透射，剩下的被吸收。只需被吸收的這部分光才對發(fā)光起分透射，剩下的被吸收。只需被吸收的這部分光才對發(fā)光起作用。作用。 但是也不是一切被吸收的光的各個波長都能起激發(fā)作用。但是也不是一切被吸收的光的各個波長都能起激發(fā)作用。發(fā)光資料對光的吸收，和普通物質(zhì)一樣，都遵照以下的規(guī)律，發(fā)光資料對光的吸收，和普通物質(zhì)一樣，都遵照以下的規(guī)律，即：即： I()=I0()e-kx 其中其中I0()是波長為是波長為的光射到物質(zhì)時的強度，的光射到物

5、質(zhì)時的強度，I()是光經(jīng)是光經(jīng)過厚度過厚度x后的強度，后的強度，k是不依賴光強、但隨波長變化而變化是不依賴光強、但隨波長變化而變化的，稱為吸收系數(shù)。的，稱為吸收系數(shù)。一、吸收光譜一、吸收光譜 k隨波長或頻率的隨波長或頻率的變化，叫作吸收光譜。變化，叫作吸收光譜。發(fā)光資料的吸收光譜，發(fā)光資料的吸收光譜，首先決議于基質(zhì)，而激首先決議于基質(zhì)，而激活劑和其他雜質(zhì)也起一活劑和其他雜質(zhì)也起一定的作用，它們可以產(chǎn)定的作用，它們可以產(chǎn)生吸收帶或吸收線。生吸收帶或吸收線。一、吸收光譜一、吸收光譜 所謂反射光譜，就是反射率所謂反射光譜，就是反射率RR隨波長或頻率的變隨波長或頻率的變化。而所謂反射率，是指反射光的總

6、量由于既然是粉末，化。而所謂反射率，是指反射光的總量由于既然是粉末，漫反射就很強，這里指的是漫反射和入射光的總量之比。漫反射就很強，這里指的是漫反射和入射光的總量之比。 假設(shè)資料對某個波長的吸收強，反射率就低。反之，反假設(shè)資料對某個波長的吸收強，反射率就低。反之，反射率就高。但不能以為反射光譜就是吸收光譜。實踐上，這射率就高。但不能以為反射光譜就是吸收光譜。實踐上，這兩種光譜包含完全不同的概念。它們是既有聯(lián)絡(luò)，又有區(qū)別。兩種光譜包含完全不同的概念。它們是既有聯(lián)絡(luò)，又有區(qū)別。 二、反射光譜二、反射光譜三、激發(fā)光譜三、激發(fā)光譜 激發(fā)光譜是指發(fā)光的某一譜線或譜帶的強度激發(fā)光譜是指發(fā)光的某一譜線或譜帶

7、的強度隨激發(fā)光波長或頻率的變化。隨激發(fā)光波長或頻率的變化。 把吸收光譜或反射光譜和激發(fā)光譜相互把吸收光譜或反射光譜和激發(fā)光譜相互比較以后，就可以判別哪些吸收對發(fā)光是有用比較以后，就可以判別哪些吸收對發(fā)光是有用的，哪些是不起作用的。的，哪些是不起作用的。 200300400500600051015202530268.3470.3620.3Intensity/a.u./nm圖6-5 熄滅法CaS:Eu,Sm樣品的激發(fā)光譜四、發(fā)光光譜也稱發(fā)射光譜四、發(fā)光光譜也稱發(fā)射光譜 發(fā)光資料的發(fā)射光譜，指的是發(fā)光的能量按波長或發(fā)光資料的發(fā)射光譜，指的是發(fā)光的能量按波長或頻率的分布，許多發(fā)光資料的發(fā)射光譜是延續(xù)的

8、寬帶譜，頻率的分布，許多發(fā)光資料的發(fā)射光譜是延續(xù)的寬帶譜，分布在很廣的范圍。分布在很廣的范圍。普通地，光譜的外形可以用高斯函數(shù)來表示，即普通地，光譜的外形可以用高斯函數(shù)來表示，即EV = EV0 exp-a(-0)2 其中其中是頻率，是頻率，EV是在頻率是在頻率附近的發(fā)光能量密度附近的發(fā)光能量密度相對值，相對值，EV0是在峰值頻率是在峰值頻率0時的相對能量，時的相對能量，是正的常是正的常數(shù)。普通的發(fā)光譜帶，至少近似地都可以用如上公式表數(shù)。普通的發(fā)光譜帶，至少近似地都可以用如上公式表示。示。四、發(fā)光光譜也稱發(fā)射光譜四、發(fā)光光譜也稱發(fā)射光譜 01020304050 630 640 650 660

9、Intensity/a.u./nm12+643.3642.61-Excited by 270nm2-Excited by 470nm4505005506006507000102030405060708090100Intensity/a.u./nm Ce0.02 Ce0.06 Ce0.1 Ce0.2 Ce0.3 Ce0.4 Ce0.5 Ce0.612345678+507.7557.5+12345678圖6-6 熄滅法CaS:Eu,Sm樣品的熒光發(fā)射光譜圖6-7 熄滅法CaS:Ce,Sm樣品的熒光發(fā)射光譜四、發(fā)光光譜也稱發(fā)射光譜四、發(fā)光光譜也稱發(fā)射光譜 發(fā)光中心的構(gòu)造決議發(fā)射光譜的構(gòu)成。因此，不同

10、的發(fā)光中心的構(gòu)造決議發(fā)射光譜的構(gòu)成。因此，不同的發(fā)光譜帶，是來源于不同的發(fā)光中心，因此又具有不同的發(fā)光譜帶，是來源于不同的發(fā)光中心，因此又具有不同的性能。性能。 有一些資料的發(fā)光譜帶比較窄，并且在低溫下液氮有一些資料的發(fā)光譜帶比較窄，并且在低溫下液氮或液氦溫度下顯現(xiàn)出構(gòu)造，即分解成許多譜線。還有一或液氦溫度下顯現(xiàn)出構(gòu)造，即分解成許多譜線。還有一些資料在室溫下的發(fā)射光譜就是線狀譜。些資料在室溫下的發(fā)射光譜就是線狀譜。 五、能量傳輸五、能量傳輸 發(fā)光資料吸收了激發(fā)光發(fā)光資料吸收了激發(fā)光 ，就會在內(nèi)部發(fā)生能量形狀的轉(zhuǎn)，就會在內(nèi)部發(fā)生能量形狀的轉(zhuǎn)變：有些離子被激發(fā)到較高的能量形狀，或者晶體內(nèi)產(chǎn)生了變：

11、有些離子被激發(fā)到較高的能量形狀，或者晶體內(nèi)產(chǎn)生了電子和空穴，等等。而電子和空穴一旦產(chǎn)生，就將恣意運動。電子和空穴，等等。而電子和空穴一旦產(chǎn)生，就將恣意運動。這樣，激發(fā)形狀也就不會局限在一個地方，而將發(fā)生轉(zhuǎn)移。這樣，激發(fā)形狀也就不會局限在一個地方，而將發(fā)生轉(zhuǎn)移。即使只是離子被激發(fā)，不產(chǎn)生自在電子，處于激發(fā)態(tài)的離子即使只是離子被激發(fā)，不產(chǎn)生自在電子，處于激發(fā)態(tài)的離子也可以和附近的離子相互作用而將激發(fā)能量傳出去。這就是也可以和附近的離子相互作用而將激發(fā)能量傳出去。這就是說，原來被激發(fā)的離子回到基態(tài)，而附近的離子那么轉(zhuǎn)到激說，原來被激發(fā)的離子回到基態(tài)，而附近的離子那么轉(zhuǎn)到激發(fā)態(tài)。這樣的過程可以一個接一

12、個地繼續(xù)下去，構(gòu)成激發(fā)能發(fā)態(tài)。這樣的過程可以一個接一個地繼續(xù)下去，構(gòu)成激發(fā)能量的傳輸。量的傳輸。 六、發(fā)光和猝滅六、發(fā)光和猝滅 并不是激發(fā)能量全部都要經(jīng)過傳輸，能量傳輸也不會并不是激發(fā)能量全部都要經(jīng)過傳輸，能量傳輸也不會無限的延續(xù)下去。激發(fā)的離子處于高能態(tài)，它們就不是穩(wěn)無限的延續(xù)下去。激發(fā)的離子處于高能態(tài)，它們就不是穩(wěn)定的，隨時有能夠回到基態(tài)。在回到基態(tài)的過程中，假設(shè)定的，隨時有能夠回到基態(tài)。在回到基態(tài)的過程中，假設(shè)發(fā)射出光子，這就是發(fā)光。這個過程就叫做發(fā)光躍遷或輻發(fā)射出光子，這就是發(fā)光。這個過程就叫做發(fā)光躍遷或輻射躍遷。假設(shè)離子在回到基態(tài)時不發(fā)射光子，而將激發(fā)能射躍遷。假設(shè)離子在回到基態(tài)時不

13、發(fā)射光子，而將激發(fā)能分發(fā)為熱晶格振動，這就稱為無輻射躍遷或猝滅。激分發(fā)為熱晶格振動，這就稱為無輻射躍遷或猝滅。激發(fā)的離子是發(fā)射光子，還是發(fā)生無輻射躍遷，或者是將激發(fā)的離子是發(fā)射光子，還是發(fā)生無輻射躍遷，或者是將激發(fā)能量傳送給別的離子，這幾種過程都有一定的幾率，決發(fā)能量傳送給別的離子，這幾種過程都有一定的幾率，決議于離子周圍的情況如近鄰離子的種類、位置等。以議于離子周圍的情況如近鄰離子的種類、位置等。以上講的是離子被激發(fā)的情況。上講的是離子被激發(fā)的情況。 對于由激發(fā)而產(chǎn)生的電子和空穴，它們也不是穩(wěn)定的，對于由激發(fā)而產(chǎn)生的電子和空穴，它們也不是穩(wěn)定的，最終將會復(fù)合。不過在復(fù)合以前有能夠閱歷復(fù)雜的過

14、程。最終將會復(fù)合。不過在復(fù)合以前有能夠閱歷復(fù)雜的過程。 普通而言，電子和空穴總是經(jīng)過某種特定的中心而實現(xiàn)普通而言，電子和空穴總是經(jīng)過某種特定的中心而實現(xiàn)復(fù)合的。假設(shè)復(fù)合后發(fā)射出光子，這種中心就是發(fā)光中心復(fù)合的。假設(shè)復(fù)合后發(fā)射出光子，這種中心就是發(fā)光中心它們可以是組成基質(zhì)的離子、離子團或有意摻入的激活它們可以是組成基質(zhì)的離子、離子團或有意摻入的激活劑。有些復(fù)合中心將電子和空穴復(fù)合的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊岫鴦Ｓ行?fù)合中心將電子和空穴復(fù)合的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊岫话l(fā)射光子，這樣的中心就叫做猝滅中心。不發(fā)射光子，這樣的中心就叫做猝滅中心。 發(fā)光和猝滅在發(fā)光資料中相互獨立相互競爭的兩種過程發(fā)光和猝滅在發(fā)光資料中相互獨立

15、相互競爭的兩種過程。猝滅占優(yōu)勢時，發(fā)光就弱，效率也低。反之，發(fā)光就強。猝滅占優(yōu)勢時，發(fā)光就弱，效率也低。反之，發(fā)光就強，效率也高。，效率也高。 六、發(fā)光和猝滅六、發(fā)光和猝滅 假設(shè)我們把一種資料的發(fā)射光譜和激發(fā)光譜加以比較，就會發(fā)現(xiàn)，在絕大多數(shù)的情況下，發(fā)光譜帶總是位于相應(yīng)的激發(fā)譜帶的長波邊。 斯托克斯定律：指發(fā)射的光子能量小于吸收的光子能量，資料的發(fā)光譜帶位于其相應(yīng)激發(fā)譜帶的長波邊，即資料吸收高能量的短波輻射，而發(fā)射出低能量的長波輻射。七、斯托克斯定律和反斯托克斯發(fā)光七、斯托克斯定律和反斯托克斯發(fā)光 200300400500600051015202530268.3470.3620.3Inten

16、sity/a.u./nm01020304050 630 640 650 660 Intensity/a.u./nm12+643.3642.61-Excited by 270nm2-Excited by 470nm圖6-8 CaS:Eu,Sm的激發(fā)光譜和熒光發(fā)射光譜波長比較七、斯托克斯定律和反斯托克斯發(fā)光七、斯托克斯定律和反斯托克斯發(fā)光 E13E12E11E03E02E01上發(fā)光中心的能級構(gòu)造表示圖 發(fā)光光子的能量就有能夠大于激發(fā)光子的能量。這種發(fā)光光子的能量就有能夠大于激發(fā)光子的能量。這種發(fā)光稱為反斯托克斯發(fā)光，它在實踐上是存在的。但是它發(fā)光稱為反斯托克斯發(fā)光，它在實踐上是存在的。但是它的強度

17、很低，經(jīng)常被看作是一種例外情況，沒有適用價值。的強度很低，經(jīng)常被看作是一種例外情況，沒有適用價值。 實踐上，對大多數(shù)發(fā)光資料而言，即使用發(fā)光區(qū)內(nèi)的實踐上，對大多數(shù)發(fā)光資料而言，即使用發(fā)光區(qū)內(nèi)的波長還可以激發(fā)發(fā)光，效率也是極低的。隨著激發(fā)波長的波長還可以激發(fā)發(fā)光，效率也是極低的。隨著激發(fā)波長的增長，效率趨近于零。因此過去以為，反斯托克斯發(fā)光只增長，效率趨近于零。因此過去以為，反斯托克斯發(fā)光只需實際上的意義。需實際上的意義。 七、斯托克斯定律和反斯托克斯發(fā)光七、斯托克斯定律和反斯托克斯發(fā)光 8001000120014001600020406080100Intensity/a.u./nm550600

18、650700750-100001000200030004000500060007000632Intensity/a.u.wavelength/nm圖6-9 CaS:Eu,Sm的紅外呼應(yīng)光譜和紅外轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜波長比較八、發(fā)光效率八、發(fā)光效率 它是發(fā)光體的重要物理參量。它是發(fā)光體的重要物理參量。 通常有三種表示法：即量子效率通常有三種表示法：即量子效率q，功率效率或能，功率效率或能量效率量效率p，和光度效率或流明效率，和光度效率或流明效率l。 量子效率是指發(fā)射的光子數(shù)量子效率是指發(fā)射的光子數(shù)Nf與激發(fā)時吸收的光子或與激發(fā)時吸收的光子或電子數(shù)電子數(shù)Nx之比，即之比，即 q= Nf / Nx 1 功率

19、效率是指發(fā)射光的光功率功率效率是指發(fā)射光的光功率Pf與激發(fā)時輸入的電功率與激發(fā)時輸入的電功率或被吸收的光功率或被吸收的光功率Px之比，即之比，即 p=Pf / Px 2 這是一個無量綱的小于一的百分數(shù)這是一個無量綱的小于一的百分數(shù) 作為發(fā)光器件來說，總是作用于人眼的。人的眼睛只能覺作為發(fā)光器件來說，總是作用于人眼的。人的眼睛只能覺得到可見光，而且在可見光范圍內(nèi)，對于不同波長的光的敏得到可見光，而且在可見光范圍內(nèi)，對于不同波長的光的敏感程度也是差別極大的。人眼對感程度也是差別極大的。人眼對555nm的綠光最敏感，隨著的綠光最敏感，隨著波長的變化其相對的視感度通常用視見函數(shù)波長的變化其相對的視感度

20、通常用視見函數(shù)來表示，來表示，如以下圖所示。如以下圖所示。 八、發(fā)光效率八、發(fā)光效率紅橙黃綠青藍紫4000 5000 6000 7000 760010視感度 顯然，功率效率很高的發(fā)光器件發(fā)出的光，人眼看起來顯然，功率效率很高的發(fā)光器件發(fā)出的光，人眼看起來不見得很亮。因此，用人眼來衡量一發(fā)光器件的功能時，我不見得很亮。因此，用人眼來衡量一發(fā)光器件的功能時，我們就必需引進另外一個參量，叫流明效率或光度效率。流明們就必需引進另外一個參量，叫流明效率或光度效率。流明效率即是發(fā)射的光通量效率即是發(fā)射的光通量L以流明為單位與激發(fā)時輸入的以流明為單位與激發(fā)時輸入的電功率或被吸收的其他方式能量總功率電功率或被

21、吸收的其他方式能量總功率Px之比，即之比，即 L=L / Px 3 流明效率與功率效率有如下的關(guān)系流明效率與功率效率有如下的關(guān)系 l =pb 4 其中其中b稱為照明效率。稱為照明效率。 八、發(fā)光效率八、發(fā)光效率 對于光致發(fā)光來說，假設(shè)激發(fā)光是單色或接近單色對于光致發(fā)光來說，假設(shè)激發(fā)光是單色或接近單色的，波長為的，波長為x,發(fā)射光也是單色或接近單色的發(fā)射光也是單色或接近單色的, 波長為波長為f, 那么量子效率與功率效率有如下關(guān)系：那么量子效率與功率效率有如下關(guān)系： q=pf / x 5八、發(fā)光效率八、發(fā)光效率九、九、 熱致釋光與紅外釋光熱致釋光與紅外釋光 對于指數(shù)式的衰減，衰減常數(shù)對于指數(shù)式的衰減，衰減常數(shù)經(jīng)常不隨溫度而變；而雙經(jīng)常不隨溫度而變；而雙曲線式的衰減曲線式的衰減 ，溫度對之那么有很大的影響，溫度降低到一，溫度對之那么有很大的影響，溫度降低到一定的程度，激發(fā)停頓后的發(fā)光很快地完全停頓。當溫度升高時，定的程度，激發(fā)停頓后的發(fā)光很快地完全停頓。當溫度升高時，發(fā)光又逐漸加強，這種景象稱為加熱發(fā)光或熱致釋光，有時簡發(fā)光又逐漸加強，這種景象稱為加熱發(fā)光或熱致釋光，有時簡稱熱釋光。稱熱釋光。 發(fā)光資料可以儲存激發(fā)能，當溫度升高以后，將儲存的光發(fā)光資料可以儲