材料的光学性质.pptVIP

材料的光发射3、材料发光的基本性质材料的发光特性主要从发射光谱、激发光谱、发光寿命和发光效率进行评价。发射光谱在一定的激发条件下发射光强按波长的分布。其形状与材料的能量结构有关蓝光绿光发射光谱反映材料从高能级始发的向下跃迁过程。由此得到发光的颜色和强度等信息。第31页，共69页，星期日，2025年，2月5日激发光谱材料发射某一种特定谱线（或谱带）的发光强度随激发光波长而变化的曲线。激发光谱反映材料从基态始发的向上跃迁过程。由此给出有关材料能级和能带结构信息，也可找出使材料发光的最有效的光激励波长。能够引起材料发光的激发波长也一定是材料可以吸收的波长，但激发光谱≠吸收光谱（因为有的材料吸收光后不一定会发射光，它可把吸收的光能转化为热能而耗散掉，对发光没有贡献的吸收是不会在激发光谱上反映的）。第32页，共69页，星期日，2025年，2月5日发光寿命发光体在激发停止后持续发光时间的长短称为发光寿命（荧光寿命或余辉时间）。发光寿命定义为光强I衰减到初始值I0的1/e所经历的时间。余辉时间约定为为光强I衰减到初始值I0的1/10的时间。α表示电子在单位时间内跃迁到基态的概率。根据余辉时间的长短把发光材料分为：超短余辉（1μs）、短余辉（1~10μs）、中短余辉（10-2~10μs）、中余辉（1~100ms）、长余辉（0.1~1s）、超长余辉（1s）六个范围。不同应用目的对材料的发光寿命有不同的要求。第33页，共69页，星期日，2025年，2月5日发光效率－三种表示方法ηq、ηp、ηl分别为量子效率、功率效率和光度效率；nout、nin、pout、pin、L分别为发射光子数、入射光子数、发光功率、吸收光的功率（或输入的电功率）和发射的光通量。Φ(λ)为人眼的视见函数，I(λ)为发光功率的光谱分布函数，D为光功当量。第34页，共69页，星期日，2025年，2月5日2.复合发光源于固体本征态的辐射跃迁固体能带模型描述（限于最高能隙Eg内）如II-VI、III-V族半导体发光1.分立中心发光固体中局域中心内部电子态间的辐射跃迁位形坐标描述如稀土离子发光（宽禁带绝缘体材料）发光分类固体材料的发光有两种微观物理过程：分立中心发光和复合发光材料的光发射4、发光的物理机制第35页，共69页，星期日，2025年，2月5日其发光中心通常是掺杂在透明基质材料中的离子，或基质材料自身结构的某一个基团。选择不同的发光中心和不同的基质组合，可以改变发光体的发光波长，调节其光色。发光中心分布在晶体点阵中，受晶体点阵作用，其能量状态发生变化，进而影响材料的发光性能。分立中心发光—RE3+发光，杂质、缺陷发光第36页，共69页，星期日，2025年，2月5日根据发光中心与晶体点阵之间相互作用的强弱可分为两种情况：发光中心基本上是孤立的，它的发光光谱与自由离子相似；发光中心受基质点阵电场（或晶体场）影响较大，其发光特性与自由离子不同，必须把中心和基质作为一个整体来分析。稀土离子发光：“4f?4f”电子组态间的跃迁如Tb3+,Eu3+,Gd3+,Pr3+…线谱，禁戒部分解除“4f?5d”电子组态间的跃迁如Ce3+带谱，允许跃迁特点：及其丰富的能级，具有光谱的可调性。在＋3价镧系离子的4fn组态中共有1639个能级，能级之间可能的跃迁数目高达199177个。第37页，共69页，星期日，2025年，2月5日第38页，共69页，星期日，2025年，2月5日复合发光1.固体“导带电子-价带空穴”间的复合2.“导带电子-受主A（空穴）”或“价带空穴-施主D（电子）”或“D-A”复合3.激子（“e-h”）或束缚激子的复合复合发光时电子跃迁涉及固体的能带。电子被激发到导带时价带上留下一个空穴，因此当导带的电子回到价带与空穴复合时，便以光的形式放出能量，这种发光过程叫复合发光。复合发光效率：带间跃迁直接—高?（仅有光子参与的电子跃迁）间接—低?（有光子和声子同时参与的电子跃迁）第39页，共69页，星期日，2025年，2月5日发光二极管原理半导体发光二极管（LED）是在半导体P-N结或类似的结构中通以正向电流，以高效率发出可见光或红外辐射的器件。N型：自由电子导电P型：空穴导电载流子的扩散材料的交界处现成空间电荷N区一侧带正电，P区一侧带负电，形成PN结PN结内的电场方向阻止电子和空穴的进一步扩散PN结上施加正向电压，势垒减弱，大量电子和空穴流动相遇而产生复合发光。第40页，共69页，星期日，2025年，