1、2022-4-30电信系光电工程专业1发光材料与器件基础发光材料与器件基础西安邮电学院电信系光电工程专业2022-4-30电信系光电工程专业2第三章第三章 光致发光过程及机理光致发光过程及机理3.1 3.1 光致发光过程光致发光过程当外部光源如紫外光、可见光甚至激光照射到光致发光材料时，当外部光源如紫外光、可见光甚至激光照射到光致发光材料时，发光材料就会发射出如可见光、紫外光等，实际上光致发光材发光材料就会发射出如可见光、紫外光等，实际上光致发光材料的发光过程比较复杂，一般可以分为能量的吸收，辐射能量料的发光过程比较复杂，一般可以分为能量的吸收，辐射能量回到基态，能量传递等过程，即：回到基态，
2、能量传递等过程，即：（1 1） 基质晶格或激活剂（或称发光中心）吸收激活能。基质晶格或激活剂（或称发光中心）吸收激活能。（2 2） 基质晶格将吸收的激发能传递给激活剂。基质晶格将吸收的激发能传递给激活剂。（3 3）被激活的激活剂发出荧光而返回基态，同时伴随有部分）被激活的激活剂发出荧光而返回基态，同时伴随有部分 非发光跃迁，能量以热的形式散发。非发光跃迁，能量以热的形式散发。 2022-4-30电信系光电工程专业33.1 3.1 光致发光过程光致发光过程A激发激发发射发射非发光跃迁非发光跃迁荧光粉的光致发光过程 A 激活剂SA能量传递能量传递激发激发发射发射能量从敏化剂向激活剂传递的发光过程
3、A 激活剂；S 敏化剂2022-4-30电信系光电工程专业43.2 3.2 位形坐标模型位形坐标模型v位形坐标模型位形坐标模型位形坐标位形坐标： 电子与晶格振动的总能量与离子平均位电子与晶格振动的总能量与离子平均位置的关系，采用简谐近似模型置的关系，采用简谐近似模型 电子与声子的相互作用电子与声子的相互作用 电子与声子的相互作用能，即晶格弛豫电子与声子的相互作用能，即晶格弛豫能为能为 晶格弛豫能所折合的声子数为晶格弛豫能所折合的声子数为 (黄昆因子黄昆因子)201()2Ek RR位形坐标模型与吸收和位形坐标模型与吸收和光发射过程示意图光发射过程示意图epqEmRRrR22001()()2 Ug
4、(R)：电子处于基态时的系统能量：电子处于基态时的系统能量Ue(R)：电子处于激发态时的系统能量：电子处于激发态时的系统能量UUg(R)Ue(R)RR0r0ABCDFEv1u0v0u1qpsmR221()2R可表示电子与声子作用的强弱可表示电子与声子作用的强弱2022-4-30电信系光电工程专业5弗兰克弗兰克-康登康登(Franck-Condon)原理原理Ug(R)：电子处于基态时的系统能量：电子处于基态时的系统能量Ue(R)：电子处于激发态时的系统能量：电子处于激发态时的系统能量UUg(R)Ue(R)RR0r0ABCDFEv1u0v0u1R0A: 光吸收过程；光吸收过程；AB: 晶格弛豫过程
5、，晶格弛豫过程， B的位置与晶格温度有关的位置与晶格温度有关BC: 光子发射过程；光子发射过程；CR0: 晶格弛豫过程；晶格弛豫过程；l光吸收与光发射的光吸收与光发射的Stokes频移频移 从激发到发射，电子经历两次与离子晶格的作用，发射声子散从激发到发射，电子经历两次与离子晶格的作用，发射声子散失能量，结果产生失能量，结果产生Stokes频移。频移。 由于跃迁时间由于跃迁时间晶格弛豫时间，晶格弛豫时间，电子竖直跃迁电子竖直跃迁3.2 3.2 位形坐标模型位形坐标模型2022-4-30电信系光电工程专业6l吸收光与发射光的谱线增宽吸收光与发射光的谱线增宽Ug(R)：电子处于基态时的系统能量：电
6、子处于基态时的系统能量Ue(R)：电子处于激发态时的系统能量：电子处于激发态时的系统能量Ue(R)UUg(R)RR0r0ABCDFEv1u0v0u1吸收吸收发射发射振动能级的基态与激发态的振动能级的基态与激发态的波函数波函数Rv=0v=nUR03.2 3.2 位形坐标模型位形坐标模型2022-4-30电信系光电工程专业7l发射光谱的线型发射光谱的线型Ug(R)：电子处于基态时的系统能量：电子处于基态时的系统能量Ue(R)：电子处于激发态时的系统能量：电子处于激发态时的系统能量UUg(R)Ue(R)RR0r0 rABCDFEv1u0v0u1r0、 0：BC过程的发光频率过程的发光频率 r 、 ：
7、DE过程的发光频率过程的发光频率 则发射光谱的半宽与激发态离则发射光谱的半宽与激发态离子的位形差（子的位形差（CEF）gR remR remgU gk RdU grrdRdU gdRk r2000001( )2( )()()( )() 利利用用另，另，B、D点振子出现的几率为点振子出现的几率为eemvrrWrrCCaa22200()exp () exp () 发光强度发光强度emgIWak r a222002220()()exp () exp () 高斯分布高斯分布3.2 3.2 位形坐标模型位形坐标模型2022-4-30电信系光电工程专业8l吸收与发射光谱的温度关系吸收与发射光谱的温度关系温
8、度对吸收谱的影响温度对吸收谱的影响：温度升高，体系处于基态中较温度升高，体系处于基态中较高振动能级高振动能级u结果：谱线进一步加宽；结果：谱线进一步加宽； 谱线红移谱线红移UUg(R)RR0r0ABCDFEv1u0v0u1Ug(R)：电子处于基态时的系统能量：电子处于基态时的系统能量Ue(R)：电子处于激发态时的系统能量：电子处于激发态时的系统能量温度对发射谱的影响温度对发射谱的影响：温度升高，体系处于激发态中温度升高，体系处于激发态中较高振动能级较高振动能级v结果：谱线进一步加宽；结果：谱线进一步加宽； 谱线红移谱线红移 强度减弱强度减弱?emBemk TT01 2 2 2位位形形差差()振
9、()振子子能能量量（）另另与实验结果一致！与实验结果一致！3.2 3.2 位形坐标模型位形坐标模型2022-4-30电信系光电工程专业9l发射光谱的温度猝灭发射光谱的温度猝灭Ug(R)：电子处于基态时的系统能量：电子处于基态时的系统能量Ue(R)：电子处于激发态时的系统能量：电子处于激发态时的系统能量UUg(R)Ue(R)RR0r0ABCDFEv1u0v0u1v=v 若温度升高，使体系处若温度升高，使体系处于激发态中振动能级于激发态中振动能级v以以上，激发态电子可无辐射上，激发态电子可无辐射地到达基态，再经晶格驰地到达基态，再经晶格驰豫回到基态的平衡位置。豫回到基态的平衡位置。IE温度猝灭的几
10、率温度猝灭的几率NRBWvE k T0exp() E：猝灭激活能：猝灭激活能发光强度与温度的关系发光强度与温度的关系LBRIITvE k Tv00( )1exp() 其中：其中：I0-低温下的饱和发光强度低温下的饱和发光强度 vR-辐射复合几率辐射复合几率3.2 3.2 位形坐标模型位形坐标模型2022-4-30电信系光电工程专业103.3 3.3 发光的能带理论发光的能带理论 晶体材料呈现一定规律的周期性，内部原子存在较强晶体材料呈现一定规律的周期性，内部原子存在较强的相互作用，导致原子能级的变化，许多相近能级构成能的相互作用，导致原子能级的变化，许多相近能级构成能带。某些无机物所以具有发光
11、性能是与合成过程化合物带。某些无机物所以具有发光性能是与合成过程化合物（发光材料基质）晶格里产生的结构缺陷和杂质缺陷有关，（发光材料基质）晶格里产生的结构缺陷和杂质缺陷有关，这些缺陷局部地破坏了晶体内部的规则排列，从而形成缺这些缺陷局部地破坏了晶体内部的规则排列，从而形成缺陷能级。当外界光源照射时，电子就会在各种能级间跃迁，陷能级。当外界光源照射时，电子就会在各种能级间跃迁，从而产生发光现象。从而产生发光现象。（1 1）由于发光材料基质的热歧化作用出现的结构缺陷所）由于发光材料基质的热歧化作用出现的结构缺陷所引起的发光叫非激活发光，这种发光不需要掺加激活杂质。引起的发光叫非激活发光，这种发光不
12、需要掺加激活杂质。（2 2）在高温下向基质晶格中掺入另一种元素的离子或原）在高温下向基质晶格中掺入另一种元素的离子或原子时会出现杂质缺陷，由这种缺陷引起的发光叫激活发光，子时会出现杂质缺陷，由这种缺陷引起的发光叫激活发光，而激活杂质叫做激活剂。而激活杂质叫做激活剂。 2022-4-30电信系光电工程专业11 紫外光能量可以直接被发光材料的发光中心吸收（激活紫外光能量可以直接被发光材料的发光中心吸收（激活剂或杂质吸收），也可以被发光材料的基质所吸收（本征剂或杂质吸收），也可以被发光材料的基质所吸收（本征吸收）。吸收）。第一种情况下第一种情况下，吸收或伴有激活剂的电子壳层内的电子向，吸收或伴有激活
13、剂的电子壳层内的电子向较高能级的跃迁，或电子与激活剂完全脱离及激活剂跃迁较高能级的跃迁，或电子与激活剂完全脱离及激活剂跃迁到离化态（形成到离化态（形成“空穴空穴”）；）；第二种情况下第二种情况下，基质吸收能量时，在基质中形成空穴和电，基质吸收能量时，在基质中形成空穴和电子，空穴可能沿着晶格移动，并被束缚在各个发光中心上。子，空穴可能沿着晶格移动，并被束缚在各个发光中心上。 辐射是由于电子返回较低能态或电子与空穴复合所致。辐射是由于电子返回较低能态或电子与空穴复合所致。某些材料的发光只与发光中心的电子跃迁有关，这种发光某些材料的发光只与发光中心的电子跃迁有关，这种发光材料叫做材料叫做“特征型特征
14、型”发光材料，过渡元素和稀土金属离子发光材料，过渡元素和稀土金属离子都是这种发光材料的激活剂。都是这种发光材料的激活剂。3.3 3.3 发光的能带理论发光的能带理论2022-4-30电信系光电工程专业123.3 3.3 发光的能带理论发光的能带理论价价 带带导导 带带1234567A1A2A3半导体型发光材料的能带图半导体型发光材料的能带图A1 基态A2 激发态A3 缺陷态2022-4-30电信系光电工程专业133.3 3.3 发光的能带理论发光的能带理论A1A2价带价带导带导带辐射辐射普勒纳和威廉斯的能带图普勒纳和威廉斯的能带图2022-4-30电信系光电工程专业14作业作业: :1 1、请分别根据位形坐标模型和能带模型、请分别根据位形坐标模型和能带模型从能量吸收、传递、辐射等过程说明发从能量吸收、传递、辐射等过程说明发光现象；结合模型图！光现象；结合模型图！
