Люминесценция

Люминесценция — это излучение света веществом, вызванное поглощением энергии различного типа, отличное от теплового излучения. В отличие от термолюминесценции, при которой возбуждение происходит под действием температуры, классическая люминесценция может инициироваться светом, электрическим полем, химической реакцией или механическим воздействием. Основной характеристикой люминесценции является спектральная составляющая, время жизни возбужденного состояния и квантовый выход.

Ключевые моменты:

  • Энергия, вызывающая люминесценцию, может быть значительно меньше, чем энергия теплового излучения, соответствующего той же длине волны.
  • Излучение происходит при переходе электрона из возбужденного состояния в основное, часто с участием промежуточных уровней.

Виды люминесценции

  1. Флуоресценция

    • Процесс, при котором излучение прекращается почти сразу после прекращения действия возбуждающего фактора.
    • Время жизни возбужденного состояния обычно составляет от 10⁻⁹ до 10⁻⁷ секунд.
    • Характерно для органических молекул, люминесцентных красителей, некоторых полупроводников.

  2. Фосфоресценция

    • Излучение продолжается длительное время после прекращения возбуждения (от миллисекунд до часов).
    • Связана с переходами между триплетными и синглетными состояниями, запрещенными квантовыми правилами, что замедляет релаксацию.
    • Используется в светоотражающих покрытиях и «светящихся в темноте» материалах.

  3. Хемилюминесценция

    • Энергия возбуждения выделяется химической реакцией.
    • Применение: биохимические датчики, люминесцентные реакции в лабораторных исследованиях.

  4. Электролюминесценция

    • Возбуждение происходит под действием электрического тока или электрического поля.
    • Основное применение — светодиоды (LED), органические светодиоды (OLED) и электронные дисплеи.

  5. Фотолюминесценция

    • Возбуждение происходит светом, чаще ультрафиолетовым.
    • Широко используется для изучения энергетических уровней в кристаллах и полупроводниках.

Механизмы люминесценции в материалах

1. Возбуждение электронов и релаксация В твердом теле люминесценция возникает при переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости под действием внешнего источника энергии. Возбужденные электроны могут возвращаться в основное состояние несколькими путями:

  • Прямой переход с излучением фотона (радиативная рекомбинация).
  • Переход через захваченные локальные состояния (ловушки), что характерно для фосфоресценции.
  • Безызлучательные переходы, когда энергия рассеивается в виде тепла.

2. Роль дефектов и примесей

  • Локализованные уровни, создаваемые примесями или дефектами кристаллической решетки, часто становятся центрами люминесценции.
  • Такие центры называются люминофорами. Их спектр зависит от химического состава, структуры и концентрации примесей.

3. Энергетические диаграммы

  • Диаграммы Джоуль–Кёнига и Джоуль–Френкеля позволяют описать переходы электронов в кристаллах.
  • Для органических молекул используют диаграммы Жабо, показывающие синглетные и триплетные состояния и возможные межсистемные переходы.

Спектральные и кинетические характеристики

1. Спектр люминесценции

  • Спектр часто смещен относительно спектра возбуждающего света (стоксово смещение).
  • Характеризуется пиком излучения λ_max и шириной полосы Δλ, которая зависит от взаимодействия с кристаллической решеткой и дефектами.

2. Квантовый выход

  • Определяется как отношение числа излученных фотонов к числу поглощенных.
  • Зависит от эффективности радиативных и безызлучательных процессов.

3. Время жизни возбуждённого состояния

  • Для флуоресценции τ ~ 10⁻⁹–10⁻⁷ с.
  • Для фосфоресценции τ может достигать часов, так как запрещенные переходы сильно замедляют процесс.

Применение люминесценции в науке и технике

  1. Оптические датчики и сенсоры

    • Определение химических веществ и газов по изменению люминесценции.
    • Биомаркеры и индикаторы в медицине.

  2. Осветительные и дисплейные технологии

    • Светодиоды, OLED, лазеры на люминесцентных кристаллах.

  3. Изучение материалов

    • Люминесценция используется для анализа кристаллической структуры, выявления дефектов и оценки чистоты полупроводников.

  4. Безопасность и маркировка

    • Флуоресцентные красители для защиты документов, идентификации предметов.
Оглавление