固体发光期末复习题

固体发光材料与应用概念、简答、论述、发挥1.发光的概念（包括简单、完整概念）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。发光：是物体内部以某种方式吸收的能量转化为光辐射的过程。发光概念/内涵：当物质受到诸如光照、外加电场或电子束轰击等的激发后，吸收了外界能量，其电子处于激发状态，物质只要不因此而发生化学变化，当外界激发停止以后，处于激发状态的电子总要跃迁回到基态。在这个过程中，一部分多余能量通过光或热的形式释放出来。这部分能量以光的电磁波形式发射出来，即称为发光现象。概括地说，发光就是物质内部以某种方式吸收能量以后，以热辐射以外的光辐射形式发射出多余的能量的过程。2.平衡辐射：是炽热物体的光辐射，又叫热辐射。起因于物体的温度。T,热平衡(准平衡),相应热辐射。热辐射体的光谱只决定于辐射体的温度及其发射本领。3.非平衡辐射：在某种外界作用激发下，物体偏离原来的热平衡态所产生的辐射。发光是其一种。4.发光与热辐射的区别：热辐射：温度在0K以上的任何物体都有热辐射，但温度不够高时辐射波长大多在红外区，人眼看不见。物体的温度达到5000℃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。开始不发光→暗红→橙色→黄白色发光：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，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”。5.发光与其他非平衡辐射的区别（知道谁是判据就行）非平衡辐射有许多种，除了发光以外，还有反射、散射等。光辐射的特征一般可用5个宏观光学参量描述：亮度、光谱、相干性、偏振度和辐射期间。亮度：亮度高低不能区分各种类型的非平衡辐射；光谱改变及非相干性：不仅在发光中存在，在联合散射和康普顿-吴有训效应中也有。而且，作为在特定条件下的发光，如激光（受激发射）及超辐射（特殊条件下的自发发射），具有相干性。偏振度：在发光现象中并没有带普遍性的特点。辐射期间：是判据。发光有一个比较长的延续时间(Duration)，这个延续时间有长有短，总之都比反射、散射的持续时间长很多。6.发光体受外界作用而发光,发光学中称这种作用为激发。7.发光与非发光材料有没有明显界限，为什么？（没看懂）发光与非发光材料并没有明显界限！强激发纯度提高掺杂自然界中天然或合成的发光体数量很大。人体的牙齿、指甲，动物的脂肪、卵、奶、皮肤，植物的浆液、油、果实，又如蚕丝、树脂、叶绿体、纸张等………无机固体发光材料，大致可分为：纯材料、掺杂材料8.吸收光谱和激发光谱的区别联系吸收光谱：吸收系数kλ随波长（或频率）的变化。激发光谱：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。横轴代表所用的激发光波长，纵轴代表发光的强弱。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。9.激发光谱和发射光谱的区别联系发光光谱（也称发射光谱）：是指发光的能量按波长或频率的分布。通常实验测量的是发光的相对能量。发射光谱中,横坐标为波长(或频率),纵坐标为发光相对强度。激发光谱：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。横轴代表所用的激发光波长，纵轴代表发光的强弱。发射光谱是在某一光波激发下，材料发光的能量按波长分布，激发光谱是不同光波激发下材料选定某一波长对应的能量随激发光波长的分布，两者互相呼应。10.发光与猝灭（掌握现象之间的关系）（一）离子被激发到较高能量状态情况激发的离子处于高能态，它们就不是稳定的，随时有可能回到基态。在回到基态的过程中，如果发射出光子，这就是发光，这个过程就叫做发光跃迁或辐射跃迁。如果离子在回到基态时不发射光子，而将激发能散发为热（晶格振动），这就称为无辐射跃迁或猝灭。激发的离子是发射光子，还是发生无辐射跃迁，或者是将激发能量传递给别的离子，这几种过程都有一定的几率，决定于离子周围的情况（如近邻离子的种类、位置等）。（二）产生电子和空穴情况由激发而产生的电子和空穴，不稳定，最终将会复合。在复合以前有可能经历复杂的过程。如，它们可能分别被杂质离子或晶格缺陷所捕获，由于热振动而又可能获得自由，这样可以反复多次，最后才复合而放出能量。一般而言，电子和空穴总是通过某种特定的中心而实现复合的。若复合后发射出光子，这种中心就是发光中心（可以是组成基质的离子、离子团或有意掺入的激活剂）有些复合中心将电子和空穴复合的能量转变为热而不发射光子，这样的中心就叫做猝灭中心发光和猝灭在发光材料中互相独立互相竞争的两种过程。猝灭占优势时发光就弱，效率也低。反之，发光就强，效率也高。11.斯托克斯定律和反斯托克斯发光Stokes定律：发光的光子能量小于激发光的光子能量吸收光子，跃迁；在E12马上与周围环境相互作用，交出部分能量，转移到E11；损失了部分能量。一般，系统与周围环境取得热平衡后在振动能级上的分布，大致和exp(-△E/KT)成正比。△E是较高振动能级与最低振动能级间的距离。系统与周围晶格的热平衡所需的时间远远短于电子在激发态上的寿命。由此可见，系统一旦被激发到高的振动能级，绝大多数要趋向低振动能级。反斯托克斯发光:中心从周围环境获得能量，从E12转移到E13、14，然后跃迁到E01。则发光光子能量就大于激发光子能量。这种发光称为反斯托克斯发光。这是从晶格振动取得能量，产生反Stokes发光。12.发光效率（三种）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）η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。fqxNN但一般总有能量损失，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）ηp13.怎样换算？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。fpxPPEEfpx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。lxLP作业：对于光致发光来说，如果激发光是单色或接近单色的，波长为λx,发射光也是单色或接近单色的,波长为λf,推导量子效率与功率效率的关系。fffxpqxfxxcNhPcPNh热释光，红外释光（明白定义内涵，知道释光不是发光）14.热致释光与红外释光双曲线式衰减，温度对之有很大影响，温度降低到一定的程度，激发停止后的发光很快地完全停止。当温度升高时，发光又逐渐加强，这种现象称为加热发光或热致释光，有时简称热释光。注意：加热发光不是说用热来激发发光，而是用热来释放光能，意味着，发光材料能够贮存激发能，当温度升高以后，将贮存的光能逐渐释放出来。加热发光现象与发光材料中的电子陷阱相联系，因此，利用热发光可以了解晶体中定域能级的情况。样品激发后，温度上升，在不同温度出现热释光峰。可证明，余辉越长材料，热释光峰温度越高。有的甚至在室温衰减完后,加热到高温还有热释光峰。如：SrS:Ce、Sm150℃左右。SrS：Eu、Sm370℃。这种材料存贮的激发能可通过红外线释放。红外释光材料，曾被用来探测红外线。它们和上转换材料的区别是，红外线只能释放它们本来储存着的能量而不能直接激发这种发光体。SrS:Ce、Sm这类具有高温热释光峰的发光材料很多，LiF、Li2B4O7:Mn、CaF2:Mn、CaSO4:Mn等，可用作射线的剂量计。有些古代物体，深埋地下，受放射性射线照射，能将辐射能量保存起来，利用加热发光，可推断出埋藏的年代，这也是加热发光的一个应用。15.杂质类型：激活剂、敏化剂、猝灭剂、惰性杂质激活剂：对某种特定的化合物（即发光材料基质）起激活作用，使原来不发光或发光很微弱的材料产生发光。这类杂质叫~~~。（是发光中心重要组成部分）共激活剂：是与激活剂协同激活基质的杂质，加强激活剂引起的发光。(如起电荷补偿作用，使激活剂容易进入基质）敏化剂：有助于激活剂所引起的发光，使发光亮度增加的杂质。（比如吸收激发能，能量传递）惰性杂质：对发光性能影响较小，对亮度和颜色不起直接作用的杂质。(如碱金属，碱土金属，硅酸盐，硫酸盐和卤素等)猝灭剂：损害发光性能能使发光亮度降低的杂质，也叫毒化剂。16.激活剂在发光材料中的作用（掌握）绝大多数情况下，激活剂是材料的关键成分；激活剂不但决定材料的光谱，也决定发光效率和发光持续时间；作为激活剂的原子（离子）基本都是金属。如：过渡金属、稀土金属、及少数重金属如Sb锑ti、Bi、Sn锡、Tl等。（一）跃迁与谱线宽度均匀线宽和非均匀宽化激活剂处在固体中，对于一个自由离子或原子，一个跃迁对应一条谱线，即对应某一特定波长。但通常所见的光谱（包括稀土离子的线谱），是有一定宽度的。实际上，光谱线不可能无限狭窄，即使环境温度为绝对零度。由于原子、离子或分子在非零温度下的无规振动，发射光受Doppler效应影响而发生波长微小变化不可避免。因此不论气体、液体或固体，任何谱线都有一个随温度变化的均匀线宽；对于固体，需考虑一些其它原因产生的宽化。如激活剂离子所处格位的环境影响，同种激活剂所受到的晶格影响有细微差别，也会造成谱线宽化，在发光术语中，这叫做非均匀宽化。（此外，还有晶格振动、电子跃迁耦合等影响）晶格离子的电场对激活剂离子有作用，这种作用就是对发光离子产生微扰的来源之一。对s2电子组态（是指离子的最外层是两个s电子）离子来说，晶格对它们的影响是很大的，所以它们的发光光谱都是宽的谱带。（二）绝缘体与半导体发光“主角”的习惯叫法（知道就行了）绝缘体发光和半导体发光是无机材料光发射过程的两大类。绝缘体发光材料——照明、显示显像；以肉眼为对象；禁带宽度多在3ev以上，对可见光透明；利用的是发光中心的发光；发光与所掺杂质离子本身的能级跃迁有直接联系；习惯上叫“激活剂”。半导体发光材料——禁带宽度多在1.5ev以下；利用的是复合发光；发光与所掺杂质离子本身的能级跃迁无直接联系；不叫“激活剂”，而叫“杂质(掺杂)”，施主或受主。但，半导体发光材料也有例外——在含有稀土离子的发光二极管中，发射的光具有稀土离子的全部光谱特征。说明它是由稀土离子发出的，半导体材料本身只有极小的干扰。因此这种“杂质”完全可以叫做“激活剂”。（三）分立中心发光和复合发光（难）绝缘体发光和半导体发光是无机材料光发射过程的两大类。苏联学者把它们分别叫做分立中心发光和复合发光。分立中心发光•发射来自晶体中相对孤立的原子,离子（包括离子团如WO42−）。•基质晶格虽然能影响发光中心的能级（如改变能级位置、降低能级简并度、改变能级之间跃迁几率等等），但这些影响基本属于微扰，光发射的主体仍然是这些中心。•一般，分立中心发光遵循指数式衰减规律。•分立的发光中心可直接被激发也可通过基质或敏化剂得到能量。当中心被直接激发时，电子一般不离开中心，因此发光不伴随光电导。通过对晶格作用大小的理论估算，能够把自由离子的能级和它们在晶体中的发光光谱对应起来。复合发光是指导带电子和价带空穴复合产生的光发射。基质本身吸收光，激发必定产生载流子，因而伴随着光电导。衰减规律复杂，可远远偏离指数式。固然也需要掺杂，但杂质并不是发射主体；参与发光的是整个晶体，很难把自由杂质离子的能级和固体发射的光谱对应起来。即：决定材料发光光谱的是整个晶体的能谱而不是离散的杂质离子能级。17.高温固相法（全看）以固态物质为初始原料，固体颗粒直接参与化学反应。固相反应的原料和产物都是固体，原料是以微米级颗粒状态相互接触、混合。1.反应机理反应过程分为成核和生长两部分。通常，产物和原料的结构有很大不同，成核很困难。因为在成核过程中，原料