1、固体发光材料与应用固体发光材料与应用任课教师：卢利平任课教师：卢利平材料科学与工程学院材料科学与工程学院通过深入浅出的讲解使同学们对光与物通过深入浅出的讲解使同学们对光与物质相互作用的基本物理现象；固体发光质相互作用的基本物理现象；固体发光的条件、过程和规律；发光材料和器件的条件、过程和规律；发光材料和器件的设计原理、制备方法和应用等有一个的设计原理、制备方法和应用等有一个较为全面的认识和了解。较为全面的认识和了解。 课程目的课程目的与任务与任务课程内容课程内容目目 录录第一章 绪论第二章 发光的主要特征 第三章 发光中心与发光光谱 第四章 发光材料制备方法 第五章 灯用荧光材料第六章 长余辉
2、发光材料第七章 上转换发光材料第八章 电致发光材料第九章 固体激光材料第十章 LED及LED用荧光材料OLED LCD第一章第一章 绪绪 论论发光：即发光：即Luminescence一词，作为一个技术一词，作为一个技术名词，是专指一种特殊的光发射现象。名词，是专指一种特殊的光发射现象。自然界很多物体（包括固体、液体和气体，有自然界很多物体（包括固体、液体和气体，有机物和无机物），都具有发光的性能。机物和无机物），都具有发光的性能。 如发光水母一样的如发光水母一样的“希望树希望树”种子；种子；郁郁葱葱、奇妙的郁郁葱葱、奇妙的发光发光森林森林；可当房子居住的参天巨树；可当房子居住的参天巨树；色彩斑
3、斓神气活现的茂密雨林色彩斑斓神气活现的茂密雨林影片影片阿凡达阿凡达： 男主角杰克男主角杰克 潘多拉星球潘多拉星球非洲北部非洲北部有一种发光树，白天与普通树没区别。有一种发光树，白天与普通树没区别。但每到晚上，从树干到树枝通体会发出明亮的光。由但每到晚上，从树干到树枝通体会发出明亮的光。由于这种树发出的光比较强烈，当地人经常把它移植到于这种树发出的光比较强烈，当地人经常把它移植到自家的门前作为路灯使用。在夜间，人们可以在树下自家的门前作为路灯使用。在夜间，人们可以在树下看书甚至做针线。看书甚至做针线。科学家解释：这种树之所以会发光，是因为其树根特科学家解释：这种树之所以会发光，是因为其树根特别喜
4、欢吸收土壤中的别喜欢吸收土壤中的磷磷。这种磷会在树体内转化成。这种磷会在树体内转化成磷磷化氢化氢，而磷化氢一遇到氧气就会，而磷化氢一遇到氧气就会自燃自燃，从而使得树身，从而使得树身磷光闪烁。磷光闪烁。 发光树：发光树： 发光树不仅在非洲有，在发光树不仅在非洲有，在乌克兰西部乌克兰西部甚至有一甚至有一个能在夜间发出奇光的个能在夜间发出奇光的“发光森林发光森林”。长约长约1.81.8万米，万米，宽约宽约50005000米。白天看起来与一般森林没有什么两样，米。白天看起来与一般森林没有什么两样，可是一到夜间，整个树林像用荧光粉涂过一样放着可是一到夜间，整个树林像用荧光粉涂过一样放着耀眼的光。耀眼的光
5、。 据称，这片森林不仅会发光，如果人靠近的话，据称，这片森林不仅会发光，如果人靠近的话，还会有一种热乎乎的感觉。更加奇怪的是，这片林还会有一种热乎乎的感觉。更加奇怪的是，这片林子里没有任何飞禽走兽，甚至连昆虫都没有。子里没有任何飞禽走兽，甚至连昆虫都没有。科学家猜测：这一地区可能有强烈的放射性辐射，科学家猜测：这一地区可能有强烈的放射性辐射，草木吸收这些放射性元素后，也产生了发光效应。草木吸收这些放射性元素后，也产生了发光效应。 发光森林：发光森林：萤火虫萤火虫 栉水母栉水母生物界生物界说到发光，首先想到萤火虫，除此之外大自然中还说到发光，首先想到萤火虫，除此之外大自然中还有许多能够发光的生物
6、，如一些生活在海里的鱼、虾、水有许多能够发光的生物，如一些生活在海里的鱼、虾、水母、珊瑚、贝类和蠕虫等。母、珊瑚、贝类和蠕虫等。百慕大三角洲发现的荧光虾百慕大三角洲发现的荧光虾日本富山湾海下栖息着大量荧光乌贼，有时，上百万的荧日本富山湾海下栖息着大量荧光乌贼，有时，上百万的荧光乌贼聚集在一起，可以把整个海湾照亮。光乌贼聚集在一起，可以把整个海湾照亮。发光蚯蚓发光蚯蚓美国南部生活着一种长达美国南部生活着一种长达4545厘米的发光蚯蚓。厘米的发光蚯蚓。这种蚯蚓一旦被伤害，就这种蚯蚓一旦被伤害，就会分泌出闪烁着蓝光的黏会分泌出闪烁着蓝光的黏液。液。铁路蠕虫铁路蠕虫身上长有两种不同的发光身上长有两种不
7、同的发光器官。器官。仿佛圣诞树一般，头部发仿佛圣诞树一般，头部发出红光，身子闪烁绿光。出红光，身子闪烁绿光。 通常强烈发光的植物多是通常强烈发光的植物多是低等菌类低等菌类 ( (如细菌、真菌和藻如细菌、真菌和藻类植物类植物) )。 也有发朽树桩、木块，在也有发朽树桩、木块，在黑暗中发出蓝白色荧光。黑暗中发出蓝白色荧光。 荧光菌荧光菌发光蘑菇发光蘑菇 发光菌类植物：发光菌类植物：研究发现：树桩已被假蜜环菌寄生，它们分泌酶，将纤维素、研究发现：树桩已被假蜜环菌寄生，它们分泌酶，将纤维素、木质素转化为小分子物质，吸收后繁衍、长大，积累大量能木质素转化为小分子物质，吸收后繁衍、长大，积累大量能产生荧光
8、的物质。这些带荧光的物质在荧光酶的催化作用下产生荧光的物质。这些带荧光的物质在荧光酶的催化作用下进行生物氧化，并把化学能转化为光能，就是我们看到的这进行生物氧化，并把化学能转化为光能，就是我们看到的这种生物光了。种生物光了。古代古代“夜明珠夜明珠”，是指，是指能够在夜晚（或暗室中）能够在夜晚（或暗室中）自行发光的天然物体。自行发光的天然物体。而且这种光是人用肉眼而且这种光是人用肉眼能够直接看到的光。能够直接看到的光。萤石萤石 夜明珠：夜明珠： 2020世纪世纪4040年代，前苏联科学家发现：在置于高年代，前苏联科学家发现：在置于高频电场中的频电场中的生物体生物体周围，会闪动着色彩绚丽的光环周围
9、，会闪动着色彩绚丽的光环和光点，而当生物体死亡后，这种光环和光点也随和光点，而当生物体死亡后，这种光环和光点也随着消失。着消失。 同法研究同法研究人体人体，惊奇的发现人体的各部位发出，惊奇的发现人体的各部位发出的光有不同的颜色：的光有不同的颜色：手臂是蓝色的、心脏是深蓝的、手臂是蓝色的、心脏是深蓝的、臀部是浓绿色的臀部是浓绿色的。更有趣的是，人体某些部位发出。更有趣的是，人体某些部位发出的光非常强，恰好与古代中国人发现的的光非常强，恰好与古代中国人发现的700700多个穴位多个穴位相对应。相对应。 人体发光：人体发光：一、发光现象一、发光现象二、激发方式二、激发方式三、发光材料三、发光材料发光
10、：是物体内部以某种方式吸收的能量转化发光：是物体内部以某种方式吸收的能量转化为光辐射的过程。为光辐射的过程。物体发光的条件、过程和规律；物体发光的条件、过程和规律；发光材料和器件的设计原理、制备方法和应用；发光材料和器件的设计原理、制备方法和应用；以光和物质的相互作用等基本物理现象。以光和物质的相互作用等基本物理现象。一、发光现象一、发光现象发发光光学学内内容容并非一切光辐射都称为发光。发光是光辐射一部分。并非一切光辐射都称为发光。发光是光辐射一部分。* * * 注意注意 * * * ： 平衡辐射：是炽热物体的光辐射，又叫热辐射。平衡辐射：是炽热物体的光辐射，又叫热辐射。 非平衡辐射：在某种外
11、界作用激发下，物体偏离原非平衡辐射：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。来的热平衡态所产生的辐射。发光是其一种。光辐射光辐射 = = 平衡辐射平衡辐射 + + 非平衡辐射非平衡辐射起因于物体的温度。起因于物体的温度。T,T,热平衡热平衡( (准平衡准平衡),),相应热辐射。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。热辐射体的光谱只决定于辐射体的温度及其发射本领。热辐射：热辐射：温度温度在在0K0K以上的任何物体都有热辐射，但以上的任何物体都有热辐射，但温温度度不够高时辐射波长大多在红外区，人眼看不见。物不够高时辐射波长大多在红外区，人眼看不
12、见。物体的体的温度温度达到达到50005000以上时，辐射的可见部分就够强以上时，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。了，例如烧红了的铁，电灯泡中的灯丝等等。& （1）发光与热辐射的区别：）发光与热辐射的区别：开始不发光开始不发光 黄白色黄白色橙色橙色暗红暗红发光：叠加在热辐射之上的一种光发射。发光材料能发光：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。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因此发光有时也被称为“冷光冷光”。 炼钢的热辐射非平衡辐射有许多种，除了发光以外，还有反射、散射等。非平衡辐射有
13、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光辐射的特征一般可用5个宏观光学参量描述：个宏观光学参量描述：亮度亮度、光谱光谱、相相干性干性、偏振度偏振度和和辐射期间辐射期间。& （2）发光与其他非平衡辐射的区别：）发光与其他非平衡辐射的区别： 亮度亮度：亮度高低不能区分各种类型的非平衡辐射；：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光谱改变及非相干性：不仅在发光中存在，在联合：不仅在发光中存在，在联合散射和康普顿散射和康普顿- -吴有训效应中也有。而且，作为在吴有训效应中也有。而且，作为在特定条件下的发光，如激光（受激发射）及超辐射特定条件下的发光，如激光（受
14、激发射）及超辐射（特殊条件下的自发发射），具有相干性。（特殊条件下的自发发射），具有相干性。 偏振度偏振度：在发光现象中并没有带普遍性的特点。：在发光现象中并没有带普遍性的特点。 辐射期间：辐射期间：是判据。发光有一个比较长的延续时间是判据。发光有一个比较长的延续时间(Duration)(Duration)，这个延续时间有长有短，总之都比反，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。射、散射的持续时间长很多。l 辐射期间：辐射期间：是指去掉激发后，辐射还可延续的时间。是指去掉激发后，辐射还可延续的时间。此延续时间长可达几十小时，短也有此延续时间长可达几十小时，短也有1010-1
15、0 -10 秒左右，总秒左右，总之都比反射、散射的持续时间（之都比反射、散射的持续时间（ 1010-14-14秒）长很多。秒）长很多。在激发在激发(Excitation)(Excitation)即外界作用停止后发光不马上消失即外界作用停止后发光不马上消失而是逐渐变弱，这个过程称为余辉而是逐渐变弱，这个过程称为余辉(afterglow)(afterglow)。荧光荧光(Fluorescence)(Fluorescence)磷光磷光(Phosphorescence)(Phosphorescence)无机物发光领域这两词仍没有严格区分，甚至混淆。无机物发光领域这两词仍没有严格区分，甚至混淆。但在有机
16、物发光中，分子从单态（但在有机物发光中，分子从单态（singletsinglet）跃迁到基态（也是单态）的发光）跃迁到基态（也是单态）的发光叫荧光，从三重态（叫荧光，从三重态（triplet statetriplet state）跃迁到基态的发光叫磷光，这是不容混）跃迁到基态的发光叫磷光，这是不容混淆的。淆的。1010-10-10秒数量级指标有点任意性，技术测量水平。随发展，测量时间已突破飞秒数量级指标有点任意性，技术测量水平。随发展，测量时间已突破飞秒（秒（1010-15-15秒）。实测到的发光弛豫时间短到皮秒（秒）。实测到的发光弛豫时间短到皮秒（1010-12-12秒）的例子已不少。秒）的
17、例子已不少。名名 称称激激 发发 方方 式式光致发光光致发光光的照射光的照射电致发光电致发光气体放电或固体受电的作用气体放电或固体受电的作用阴极射线发光阴极射线发光电子束的轰击电子束的轰击放射线发光放射线发光核辐射的照射核辐射的照射X X射线发光射线发光X X射线的照射射线的照射摩擦发光摩擦发光机械压力机械压力化学发光化学发光化学反应化学反应生物发光生物发光生物过程生物过程发光体受外界作用而发光发光体受外界作用而发光, ,发光学中称这种作用为激发。发光学中称这种作用为激发。根据激发方式，区别发光类型。根据激发方式，区别发光类型。二、激发方式二、激发方式用光激发产生的发光。用光激发产生的发光。&
18、 光致发光光致发光 PL (Photoluminescence) ： 应用应用1 1：固体激光器和日光灯，即作为光源。固体激光器和日光灯，即作为光源。 新型长余辉材料新型长余辉材料SrAlSrAl2 2O O4 4:Eu,Dy:Eu,Dy，过去是，过去是ZnS:CuZnS:Cu型型或碱土金属硫化物类。或碱土金属硫化物类。 应用应用2 2：物理上，用紫外物理上，用紫外- -红外各波长激发，可红外各波长激发，可研研究物质结构究物质结构和它接受光能后和它接受光能后内部发生的各种变化内部发生的各种变化过程过程（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
19、激发态过程，光生物过程等等） 。 实例实例1 1：发光二极管发光二极管(LED light emitting diode)(LED light emitting diode) LED LED是半导体的电致发光，利用电流通过是半导体的电致发光，利用电流通过p-np-n结发光。结发光。 LED LED已是家用电器上不可缺的元件，家喻户晓。已是家用电器上不可缺的元件，家喻户晓。 LED LED也用于大屏幕显示。也用于大屏幕显示。 实例实例2 2：夹在两平行板电极间薄层材料产生的发光。夹在两平行板电极间薄层材料产生的发光。 可用于计算机液晶显示屏的背照明。可用于计算机液晶显示屏的背照明。 (材料可以是
20、蒸发的薄膜，也可以是和绝缘材料混合涂敷的发光粉末；所加电压可以是交流或直流。) & 电致发光电致发光 EL(Electroluminescence) ：用电场或电流产生的发光，最初译成场致发光。用电场或电流产生的发光，最初译成场致发光。过去，高亮度电致发光主要是由无机材料产生的。八十年代后期，在有机过去，高亮度电致发光主要是由无机材料产生的。八十年代后期，在有机材料中也获得了明亮的材料中也获得了明亮的p-np-n结发光，其相应研究蓬勃开展起来。结发光，其相应研究蓬勃开展起来。如：电弧放电、火花放电、辉光放电如：电弧放电、火花放电、辉光放电是电子束激发的发光。是电子束激发的发光。应用：应用：电视
21、显像屏，当然还包括计算机、电子显微镜电视显像屏，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。和各式各样电子仪器的显示屏。& 阴极射线发光阴极射线发光 CL(Cathodoluminescence) ：7070年代还发现了一种低到几伏至几十伏的电子激发的发光，叫做年代还发现了一种低到几伏至几十伏的电子激发的发光，叫做低低能电子发光能电子发光，资料中也常称为，资料中也常称为真空荧光真空荧光(Vacuum fluorescence)(Vacuum fluorescence)。不过能产生这种荧光的物质极其有限，迄今为止，能实际应用的只不过能产生这种荧光的物质极其有限，迄今为止，能实际应用的
22、只有有ZnOZnO一种。但从事显示研究的科技人员仍对之很感兴趣，因为它们一种。但从事显示研究的科技人员仍对之很感兴趣，因为它们亮度极高。目前市场上仍然有产品。亮度极高。目前市场上仍然有产品。 所使用的电子能量常在几千至上万所使用的电子能量常在几千至上万eVeV。高能电子束进。高能电子束进入发光体后撞击晶格，产生数量增多的电子入发光体后撞击晶格，产生数量增多的电子( (次级电次级电子子) )，次级电子又会产生，次级电子又会产生能量不断减小，数量倍增。能量不断减小，数量倍增。最后大量、能量只有几个最后大量、能量只有几个eVeV的电子激发发光材料的效的电子激发发光材料的效率达到最大，材料因此强发光。
23、率达到最大，材料因此强发光。& 放射线发光放射线发光 RL(Radioluminescence) ：应用：应用：医用医用X光透视屏和摄像增感屏。光透视屏和摄像增感屏。是各种射线如是各种射线如、等核辐射激发的发光。等核辐射激发的发光。应用：应用：辐射剂量计。辐射剂量计。& X射线发光射线发光 RL(Radioluminescence) ：上述射线都是高能量的，主要是通过产生的次级上述射线都是高能量的，主要是通过产生的次级电子激发发光。电子激发发光。应用：应用：紧急照明等。紧急照明等。如市场上产品，一种含两种隔离开化如市场上产品，一种含两种隔离开化合物的透明容器，在需要时消除隔离使之混合产生化学反
24、应合物的透明容器，在需要时消除隔离使之混合产生化学反应而发光。这种产品能持续发光半小时以上，并有足够亮度而发光。这种产品能持续发光半小时以上，并有足够亮度。 & 化学发光化学发光 (Chemiluminescence)& 生物发光生物发光 (Bioluminescence)& 摩擦发光摩擦发光 (Triboluminescence)& 声致发光声致发光 (Sonoluminescence)三、发光材料三、发光材料& （1）发光与非发光材料并没有明显界限！）发光与非发光材料并没有明显界限！强激发强激发纯度提高纯度提高掺掺 杂杂自然界中天然或合成的发光体数量很大。人体的牙齿、自然界中天然或合成的发
25、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、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、掺杂材料无机固体发光材料，大致可分为：纯材料、掺杂材料 稀土元素化合物：稀土元素化合物：Gd及前后邻及前后邻Sm,Eu,Tb,Dy等等5个个元素化合物（如硫酸盐等）是本身可以发光的。元素化合物（如硫酸盐等）是本身可以发光的。La CeSm Eu Gd Tb DyPr Nd PmHo Er Tm YbLu0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
26、 144F电子的数目电子的数目 发光不是线谱的元素发光不是线谱的元素 只在作为掺杂时才发光的元素只在作为掺杂时才发光的元素固态、液态或作为掺杂时都可发光的元素固态、液态或作为掺杂时都可发光的元素 纯发光材料：是指基质本身就可发光的材料纯发光材料：是指基质本身就可发光的材料& （2）发光材料大类：纯发光材料）发光材料大类：纯发光材料+掺杂发光材料掺杂发光材料由组成化合物基质的元素发光：由组成化合物基质的元素发光：低温下阴极射线激发低温下阴极射线激发纯纯ZnO、CaO、SrO等，发光与中性原子等，发光与中性原子Zn、Ca、Sr的电子的电子跃迁频率间有明显关系，是后者和晶格结合的结果。跃迁频率间有明
27、显关系，是后者和晶格结合的结果。由组成化合物的原子团发光：由组成化合物的原子团发光：如如Pt(CN)42-，UO22+，WO42-及及MoO42-等。等。含含Pt(CN)42-材料：材料：MxPt(CN)4YH2O形式，M代表K, Na, Ca, Sr, Ba等。在短波紫外光、核辐射及X光激发下都可发光。BaPt(CN)4长期被用来制作X光荧光屏。含含UO22+化合物：化合物：如UO2SO43H2O等，易形成复合物，如K2UO2(SO4)22H2O等，它们在紫外光激发下可发光。含含WO42-，MoO42-材料：材料：在各种激发下都可发光，一般取MWO4形式，M通常是碱土金属。杂质含量极少，如杂
28、质含量极少，如10-3。杂质可以改变发光材料的性能，包括效率、余辉、杂质可以改变发光材料的性能，包括效率、余辉、光谱等。在电致发光中，杂质可用来改变导电类型光谱等。在电致发光中，杂质可用来改变导电类型及电阻率等参量。及电阻率等参量。 掺杂发光材料掺杂发光材料实际应用对发光材料发光材料和器件的要求，主要实际应用对发光材料发光材料和器件的要求，主要是是发光效率发光效率、亮度亮度、余辉余辉及及光谱光谱等基本特征，发光等基本特征，发光的技术应用就是以这些主要特征为的技术应用就是以这些主要特征为依据依据而发展的。而发展的。 第二章第二章 发光的主要特征发光的主要特征 当物质受到诸如光照、外加电场或电子束
29、轰击等的当物质受到诸如光照、外加电场或电子束轰击等的激发激发后，后，吸收吸收了外界能量，其电子处于了外界能量，其电子处于激发状态激发状态，物质只要不因此而发物质只要不因此而发生化学变化生化学变化，当外界激发停止以后，处于激发状态的电子总要，当外界激发停止以后，处于激发状态的电子总要跃迁跃迁回到基态回到基态。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。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。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，以热概括地说，发光就是物质内部
30、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。辐射以外的光辐射形式发射出多余的能量的过程。 发光概念发光概念/ /内涵：内涵：用光激发材料而产生的发光现象，称为光致发光。用光激发材料而产生的发光现象，称为光致发光。是指是指激发激发波长落在波长落在从紫外到近红外从紫外到近红外这个范围内的发光。这个范围内的发光。 光致发光概念光致发光概念/ /内涵：内涵：2.1 2.1 光致发光主要特征及一般规律光致发光主要特征及一般规律发光材料对光的吸收遵循：发光材料对光的吸收遵循： I()=I0()e-k x一、吸收光谱一、吸收光谱吸收光谱：吸收光谱：k k随波长（或频率）的变化。随
31、波长（或频率）的变化。当光照射到发光材料上时，一部分被反射、散射，一部分透射，剩下的被吸收。只有被吸收的这部分光才对发光起作用。但是也不是所有被吸收的光的各个波长都能起激发作用。研究哪些波长被吸收，吸收多少，显然是重要的。I0()初始强度；初始强度； I()光通过厚度光通过厚度x后的强度后的强度k吸收系数（不依赖光强、但随波长变化而变化）吸收系数（不依赖光强、但随波长变化而变化）发光材料的吸收光谱，首先决定于基质，而激活剂和其他发光材料的吸收光谱，首先决定于基质，而激活剂和其他杂质也起一定的作用，它们可以产生吸收带或吸收线。杂质也起一定的作用，它们可以产生吸收带或吸收线。20040060080
32、01000120001020304050607080640nm=74%644nm=75%603nm=72%510nm=63%1064nm=6.4%T%/nm二、反射光谱二、反射光谱如果材料是一块单晶，经过适当的加工（如切割、抛光等），利用分光光度计并考虑到反射的损失，就可以测得吸收光谱。但是多数实用得发光材料都是粉末状，是由微小的晶粒组成的。这对精确测量吸收光谱造成很大的困难。在得不到单晶的情况下，通常只能通过材料的反射光谱来估计他们对光的吸收。当粉末层足够厚时，光在粉末中通过无数次折射和反射，最后不是被吸收就是折回到入射的那一侧。这样，我们就可以理解为什么反射率能够反映材料的吸收能力。同时也
33、可以知道，在这种多次折射与反射的情况下，吸收和反射的数量关系是很复杂的。我们只能说，如果材料对某个波长的吸收强，反射率就低。反之，反射率就高。但不能认为反射光谱就是吸收光谱。反射光谱是指反射光谱是指反射率反射率R R随波长（或频率）的变化。随波长（或频率）的变化。反射率是指反射光的总量（粉末，指漫反射）和入射反射率是指反射光的总量（粉末，指漫反射）和入射光的总量之比。光的总量之比。是指发光的是指发光的某一谱线或谱带某一谱线或谱带的强度随激发光波长（或的强度随激发光波长（或频率）的变化。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。横轴代表所用的激发光波长，纵轴代表发光的强弱。三、
34、激发光谱三、激发光谱内涵：内涵：激发光谱激发光谱反映不同波长的光激发材料的效果。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。表示对发光起作用的激发光的波长范围。吸收光谱吸收光谱只说明材料的吸收，至于吸收后是否发光，只说明材料的吸收，至于吸收后是否发光，则不一定。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。对发光是有贡献的，哪些是不起作用的。是指发光的能量按波长或频率的分布。是指发光的能量按波长或频率的分布。四、发光光谱（也称发射光谱）四、发光光谱（也称发射光谱）通常实验测量的是
35、发光的相对能量。通常实验测量的是发光的相对能量。发射光谱中发射光谱中, ,横坐标为波长横坐标为波长( (或频率或频率),),纵坐标为发光相对强度。纵坐标为发光相对强度。 600650700051015Intensity/a.u.wavelength/nm450500550600050100150200250Intensity/a.u.wavelength/nm带谱带谱线谱线谱以三价稀土离子为激活剂的材料为例：这种材料的三价稀土离子的能级结构和自由的三价稀土离子非常相似，因此可以确定各条谱线的来源。这对研究发光中心及其在晶格中的位置很有用处。一般，光谱形状可用高斯函数表示：一般，光谱形状可用高斯
36、函数表示： E = E0 exp-a(-0)2频率，频率，E、E0频率频率,0处对应能量，处对应能量，正常数正常数600650700051015Intensity/a.u.wavelength/nm颜色的单色性颜色的单色性 发射谱峰的宽窄，谱峰越窄，单色性越好。发射谱峰的宽窄，谱峰越窄，单色性越好。将谱峰将谱峰1/2高度对应的宽度称作高度对应的宽度称作半宽度半宽度。依照发射峰的半宽度可将发光材料还分为依照发射峰的半宽度可将发光材料还分为3种类型：种类型：宽带材料宽带材料：半宽度：半宽度100nm，如，如CaWO4；窄带材料窄带材料：半宽度：半宽度50nm，如，如Sr(PO4)2Cl：Eu3+；
37、线谱材料线谱材料：半宽度：半宽度0.1nm，如，如GdVO4)：Eu3+；图图 发射峰的半宽度发射峰的半宽度发光材料究竟属于哪一类，既与发光材料究竟属于哪一类，既与基质有关，又与杂质有关基质有关，又与杂质有关。例如，将。例如，将EuEu掺杂在不同的基质中，可以得到上掺杂在不同的基质中，可以得到上述述3 3种类型的发光材料，而且随着基种类型的发光材料，而且随着基质的改变，发光的颜色也可以改变。质的改变，发光的颜色也可以改变。半宽度半宽度（二）晶体内产生电子和空穴：（二）晶体内产生电子和空穴：将将任意运动任意运动，激发状态也就不会局限在一个地方，激发状态也就不会局限在一个地方，而将发生转移。而将发
38、生转移。五、能量传输五、能量传输离子被激发到较高能量状态离子被激发到较高能量状态产生电子和空穴产生电子和空穴（一）离子被激发：（一）离子被激发：处于激发态离子可以和附近离子处于激发态离子可以和附近离子相互作用相互作用将激发能量传出去。将激发能量传出去。则原来被激发的离子回到基态，而附近的离子则转到激发态。则原来被激发的离子回到基态，而附近的离子则转到激发态。这样的过程可以一个接一个继续下去，形成激发能量的传输。这样的过程可以一个接一个继续下去，形成激发能量的传输。激发的离子处于高能态，它们就不是稳定的，随时有可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。能回到基态。 在回到基态
39、的过程中，如果在回到基态的过程中，如果发射出光子发射出光子，这就是发光，这就是发光，这个过程就叫做这个过程就叫做发光跃迁发光跃迁或辐射跃迁。或辐射跃迁。 如果离子在回到基态时不发射光子，而将激发能如果离子在回到基态时不发射光子，而将激发能散发散发为热（晶格振动），为热（晶格振动），这就称为无辐射跃迁或这就称为无辐射跃迁或猝灭猝灭。六、发光和猝灭六、发光和猝灭（一）离子被激发到较高能量状态（一）离子被激发到较高能量状态 情况情况并不是激发能量全部都要经过传输，能量传输也不会无限的延续下去。激发的离子是发射光子，还是发生无辐射跃迁，或者是将激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
40、量传递给别的离子，这几种过程都有一定的几率，决定于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）。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（二）产生电子和空穴 情况情况由激发而产生的电子和空穴，不稳定，最终将会复合。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。复合的。发光和
41、猝灭在发光材料中发光和猝灭在发光材料中互相独立互相竞争互相独立互相竞争的两种过程。猝灭的两种过程。猝灭占优势时发光就弱，效率也低。反之，发光就强，效率也高。占优势时发光就弱，效率也低。反之，发光就强，效率也高。 若复合后若复合后发射出光子发射出光子，这种中心就是，这种中心就是发光中心发光中心（可以（可以是组成基质的离子、离子团或有意掺入的激活剂）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有些复合中心将电子和空穴复合的能量转变为热能量转变为热而不而不发射光子，这样的中心就叫做发射光子，这样的中心就叫做猝灭中心猝灭中心发 光 谱 带 总 是 位 于 其 相 应 激
42、 发 谱 带 的 长 波 边发 光 谱 带 总 是 位 于 其 相 应 激 发 谱 带 的 长 波 边Stokes定律：定律：发光的光子能量发光的光子能量 小于小于 激发光的光子能量激发光的光子能量200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700-50050100150200250300350400450EmExwavelength/nmIntensity/a.u.350400450500550600100150200250EmExwavelength/nmIntensity/a.u.七、斯托克斯定律和反斯托克斯发光七、斯托克斯定律和反斯托克斯发光如把一种
43、材料的发射光谱和激发光谱加以比较，就会发现，绝大多数的情况下，发光谱带总是位于相应的激发谱带的长波边。例如，发光在红区，激发光多半在蓝区；发光在可见区，激发光多半在紫外区。E13E12E11E03E02E01发光中心的能级结构示意图发光中心的能级结构示意图E E0101，E E0202，E E0303 基态时的不同振动能级基态时的不同振动能级E E1111，E E1212，E E1313激发态不同的振动能级激发态不同的振动能级 发光的光子能量发光的光子能量 小于小于 激发光的光子能量激发光的光子能量吸收光子，吸收光子，跃迁跃迁；在在E12马上与周围环境相互作用，马上与周围环境相互作用，交出部分
44、能量，转移到交出部分能量，转移到E11；损损失了部分能量失了部分能量。一般，系统与周围环境取得热一般，系统与周围环境取得热平衡后在振动能级上的平衡后在振动能级上的分布分布，大致和大致和exp(-E/KT)成正比成正比。E是较高振动能级与最低振动是较高振动能级与最低振动能级间的距离。能级间的距离。系统与周围晶格的热平衡所需系统与周围晶格的热平衡所需的时间的时间远远短于远远短于电子在激发态电子在激发态上的寿命。上的寿命。由此可见，系统一旦被激发到由此可见，系统一旦被激发到高的振动能级，绝大多数要高的振动能级，绝大多数要趋趋向低振动能级向低振动能级。中心从周围环境中心从周围环境获得能获得能量量，从，
45、从E12E12转移到转移到E13E13、1414，然后跃迁到，然后跃迁到E01E01。则发光光子能量就大于则发光光子能量就大于激发光子能量。激发光子能量。这种发光称为反斯托克这种发光称为反斯托克斯发光。斯发光。反斯托克斯发光反斯托克斯发光: :E13E12E11E03E02E01E14这是从这是从晶格振动取得能量晶格振动取得能量，产生反，产生反StokesStokes发光。发光。通过通过多光子吸收多光子吸收，产生反，产生反StokesStokes发光：发光：两个或多个光子两个或多个光子“合成合成”一个大光子一个大光子过程多种多样过程多种多样待后面细讲待后面细讲 通常有三种表示法：通常有三种表示
46、法： 量子效率量子效率q 功率效率（能量效率）功率效率（能量效率）p 光度效率（流明效率）光度效率（流明效率）l八、发光效率八、发光效率 量子效率量子效率q ：是指发射的是指发射的光子数光子数Nf与激发时吸收的光子数（或电子与激发时吸收的光子数（或电子数）数）Nx之比之比 。xfqNN 但一般总有但一般总有能量损失能量损失，激发光光子能量常大于发射，激发光光子能量常大于发射光光子能量。光光子能量。 当激发光波长比发光波长当激发光波长比发光波长短很多短很多时，这种能量损失时，这种能量损失（斯托克斯损失）就很大。（斯托克斯损失）就很大。 如日光灯中激发光波长为如日光灯中激发光波长为254nm254
47、nm（汞线），发光的平（汞线），发光的平均波长可以算作是均波长可以算作是550nm550nm。 因此，即使量子效率为因此，即使量子效率为1 1（或（或100%100%），但斯托克斯能），但斯托克斯能量损失却有量损失却有1/21/2以上。以上。 所以所以量子效率反映不出来，引入功率效率量子效率反映不出来，引入功率效率。 xfqNN 功率效率（能量效率）功率效率（能量效率）p ：是指发射光的是指发射光的光功率光功率Pf与被吸收的光功率与被吸收的光功率Px（或激发（或激发时输入的电功率）之比时输入的电功率）之比 。xfpPPEEfpx发光器件总要作用于人眼。发光器件总要作用于人眼。人眼只能感觉到可见
48、光，且在可见光范围内，人眼只能感觉到可见光，且在可见光范围内，对不同波长光的敏感程度差别极大对不同波长光的敏感程度差别极大。人眼对人眼对555nm555nm绿光绿光最敏感，随波长变化其相对视感度通最敏感，随波长变化其相对视感度通常用视见函数常用视见函数（）表示：表示： 功率效率很高的功率效率很高的发光器件发出的发光器件发出的光，人眼看起来光，人眼看起来不见得很亮。不见得很亮。用人眼衡量发光器件功能时，引入流明效率。用人眼衡量发光器件功能时，引入流明效率。xfpPP 流明效率流明效率l ：发射的发射的光通量光通量L（以流明为单位）与激发时输入的电与激发时输入的电功率或被吸收的其他形式能量总功率功
49、率或被吸收的其他形式能量总功率Px之比之比 。xlPL作业：作业：对于光致发光来说，如果激发光是单色或接近对于光致发光来说，如果激发光是单色或接近单色的，波长为单色的，波长为x x, ,发射光也是单色或接近单色的发射光也是单色或接近单色的, , 波长为波长为f f, , 推导推导量子效率与功率效率的关系。量子效率与功率效率的关系。 fffxpqxfxxcNhPcPNh xfqNNxfpPPfffxpqxfxxcNhPcPNh fffxpqxfxxcNhPcPNh 九、发光的衰减九、发光的衰减发光像章持续发光几小时，日光灯关闭上发光，也持续一定时间发光与其他光发射现象的根本区别就在于持续时间。这
50、个持续时间来自于电子在各种高能量状态的寿命。 假定发光材料中某种离子被激发，没有能量传递发生，假定发光材料中某种离子被激发，没有能量传递发生，激发到高能态电子终究要回到基态。激发到高能态电子终究要回到基态。如果在如果在某一时刻某一时刻t共有共有n个个电子处在某一激发能级，在电子处在某一激发能级，在dt时间内时间内跃迁到基态的跃迁到基态的电子数目电子数目dn应该正比于应该正比于ndt，即：即： dn = -a n dt （公式公式1） 比例常数比例常数a表示电子跃迁到基态的几率。表示电子跃迁到基态的几率。 分离变量：分离变量： atttnnnnennatnnatnnatndtandnadtndn
