固体发光讲义 - 第一讲 发光概论.pdfVIP

固体发光讲义 著者：许少鸿 第一章 发光概论 第一章 概论 1-1 发光现象 “发光”即Luminescence一词作为一个技术名词，是专指一种特殊的光发射现象，它与 热辐射有根本的区别。温度在绝对零度以上的任何物体都有热辐射。不过温度不够高时辐射的 波长大多在红外区，人眼看不见。物体的温度达到5000C 以上时，辐射的可见部分就够强了， 例如烧红了的铁，电灯泡中的灯丝等等。发光则是叠加在热辐射之上的一种光发射。发光材料 能够发出明亮的光，（例如日光灯内荧光粉的发光），而它的温度却比室温高不了多少。因此 发光有时也被称为 “冷光”．热辐射是一种平衡辐射。它基本上只与温度有关而与物质的种 类无关。发光则是一种非平衡辐射，反映着发光物质的特徵。 但是发光又有别于其它的非平衡辐射如反射，散射等。根据俄罗斯学派的意见，发光有 一个比较长的延续时间(Duration)，这就是在激发（Excitation ）即外界作用停止后发光不是马 上消失而是逐渐变弱，这个过程也称为余辉 （afterglow ）。这个延续时间长的可达几十小时， 短的也有10−10 sec左右，总之都比反射、散射的持续时间长很多。一般认为，反射和散射的持 续时间和光的振动周期差不多，约为10−14 sec. 。不过，10−10 sec这个数量的确定在当时可以说 是有点任意性，是根据当时技术测量上的极限。随着技术的发展，现在能够测量的时间，已经 突破一个飞秒（fs ＝10－15秒）。而测到的发光弛豫时间短到皮秒（ps =10-12秒）的例子已不在 少数。 过去，常把在激发时的发光叫做荧光(Fluorescence) ，而把激发停止后的发光叫做磷光 (Phosphorescence) 。现在在无机物发光的领域对这两个词仍没有严格的区分，甚至还有些混淆， 例如将发光粉叫做荧光粉。但在有机物的发光中，分子从单态（singlet ）跃迁到基态（也是单 态）的发光叫荧光，从三重态（triplet state ）跃迁到基态的发光叫磷光，这是不容混淆的。 1-2 激发方式 光致发光(Photoluminescence)，简写为 PL 。这是用光激发产生的发光。它的最广泛而又 重要的两种应用是固体激光器和日光灯，也就是作为光源。九十年代初，日本和我国分别独立 研制成一种新的长余辉发光材料，SrAl O : Eu,Dy （后面的符号代表掺杂的元素）余辉可以 2 4 长达几十小时。在白昼光的作用下，整夜都能很容易地看得见。而过去几十年，普遍使用的长 余辉材料则都是ZnS:Cu型或碱土金属硫化物之类的物质。因此上述铝酸盐的长余辉发光材料 的研制成功可以说是重大的突破。 在物理上，使用紫外直至红外这一宽广光频范围内的各种波长来激发，可以研究物质的 结构和它接受光能量后内部发生的各种变化过程，包括固体中的杂质和缺陷以及它们的结构、 能量状态的变化，激发能量的转移和传递，以至化学反应中的激发态过程，光生物过程，等等。 如果激发光是相干的，即激光，则还能够研究物质的微区中有关基元受激发后的相位变化等。 总之，发光的应用是极其广泛的，并且在不断地发展。 阴极射线发光(Cathodoluminescence)，简写为CL 。这是电子束激发的发光。最常见的应 １ 固体发光讲义 著者：许少鸿 第一章 发光概论 用是电视显像屏，当然还包括计算机、电子显微镜和各式各样电子仪器的显示屏。这种应用所 使用的电子能量通常在几千甚至上万电子伏(eV) 。高能量电子束进入发光体后撞击晶格，产生 数量增多的电子，这就是次级电子(secondary electron) 。次级电子又会产生电子。次级电子的 能量自然不断减小，但数量倍增。最后大量的、能量只有几个eV 的电子激发发光材料的效率 达到最大，材料因此发出强的发光。次级电子的能量分布很宽，能够激发各种能态，所以大多 数物质都有CL 。它和PL类似，也可以用来研究分析物质的结构、杂质、缺陷等。不过由于产 生的激发态有许许多多，如果杂质不只一种，就更加复杂，所以只能用它解