Люминесценция и фотолюминесценция

Люминесценция — это излучение света веществом без заметного нагрева. В отличие от термолюминесценции или черного излучения, здесь энергия фотонов возникает в результате переходов электронов между энергетическими уровнями, а не за счет теплового движения атомов. Этот процесс зависит от структуры материала, наличия дефектов кристаллической решетки, примесей и взаимодействия с внешними полями.

Ключевой момент: Люминесценция возможна только при наличии энергетических уровней, которые позволяют электронам переходить из возбужденного состояния в основное с испусканием фотонов.

Существуют различные виды люминесценции:

  • Хемилюминесценция — излучение, возникающее при химической реакции.
  • Биолюминесценция — излучение в живых организмах.
  • Фотолюминесценция — излучение при воздействии на вещество фотонов.
  • Электролюминесценция — излучение под действием электрического поля или тока.
  • Катодолюмinesценция — излучение под действием электронного потока.

Фотолюминесценция является одним из наиболее изученных и широко применяемых видов люминесценции в материаловедении.

Механизм фотолюминесценции

Фотолюминесценция возникает в три основных этапа:

  1. Возбуждение При поглощении фотона с энергией hν электрон переходит из основного состояния в возбужденное. Энергия фотона должна соответствовать разнице энергетических уровней:

    hν ≥ Eвозб

    В полупроводниках это соответствует переходу электрона из валентной зоны в зону проводимости. В люминесцентных кристаллах или молекулах возбуждение часто происходит на локальных уровнях примесей.

  2. Релаксация После возбуждения электрон может частично терять энергию через нерадиационные процессы: фононное взаимодействие с решеткой, дефекты или столкновения. Этот процесс снижает энергию до уровня, с которого возможен радиационный переход.

  3. Испускание (релаксация с фотонным выходом) Электрон возвращается в основное состояние, испуская фотон с энергией меньше или равной энергии возбуждения. В полупроводниках это часто сопровождается полосами люминесценции, определяемыми плотностью состояний и дефектами.

Ключевой момент: Эмиссионный фотон почти всегда имеет меньшую энергию, чем поглощенный, что приводит к явлению стоксового сдвига.

Виды фотолюминесценции

  1. Флуоресценция

    • Происходит практически мгновенно после возбуждения (порядок наносекунд).
    • Электрон возвращается из синглетного возбужденного состояния в основное синглетное состояние.
    • Излучение прекращается сразу после прекращения внешнего света.

  2. Фосфоресценция

    • Характеризуется задержкой излучения (от микросекунд до часов).
    • Электрон попадает в триплетное возбужденное состояние, откуда переход в основное запрещен по спину.
    • Длительное испускание объясняется медленной интерсистемной конверсией.

Ключевой момент: Различие флуоресценции и фосфоресценции определяется квантовыми свойствами переходов и временем жизни возбужденного состояния.

Энергетические уровни и спектры

Энергетические уровни в люминесцентных материалах формируются:

  • Банками зон в полупроводниках: валентная зона, зона проводимости.
  • Локализованными уровнями примесей: редкоземельные и переходные металлы создают узкие линии люминесценции.
  • Дефектными уровнями: вакансии, межузельные атомы и дислокации обеспечивают широколинейные спектры.

Спектр фотолюминесценции определяется:

  • Энергией возбуждающего фотона
  • Внутренней структурой материала
  • Взаимодействием с решеткой и дефектами
  • Температурой и внешними полями

Ключевой момент: Фотолюминесценция может быть узкоспектральной (линией) или широкополосной в зависимости от природы уровней.

Квантовый выход и эффективность

Квантовый выход η — это отношение числа испущенных фотонов к числу поглощенных:

$$ \eta = \frac{N_{\text{фотонов, испущенных}}}{N_{\text{фотонов, поглощенных}}} $$

Высокий квантовый выход характерен для чистых кристаллов с минимальными дефектами. Потери происходят через нерадиационные релаксации и поглощение в самой матрице.

Ключевой момент: Оптимизация квантового выхода является основой создания эффективных люминофоров для дисплеев, светодиодов и лазеров.

Влияние температуры и внешних факторов

  • Температура: повышенная температура увеличивает нерадиационные процессы, снижая интенсивность фотолюминесценции (термическое затухание).
  • Электрическое и магнитное поля: могут вызывать сдвиг энергии уровней и изменение поляризации излучения.
  • Дефекты и примеси: даже малые концентрации изменяют интенсивность, спектральное распределение и время жизни излучения.

Применение фотолюминесценции в материаловедении

  1. Характеризация полупроводников

    • Определение запрещенной зоны, уровней примесей, дефектов.
    • Контроль качества кристаллов GaAs, Si, CdTe.

  2. Люминофоры для освещения и дисплеев

    • Создание белого света в светодиодах через комбинацию различных люминофоров.
    • Долговременные фосфоресцентные покрытия.

  3. Биомедицинские маркеры

    • Использование флуоресцентных молекул для визуализации клеток и тканей.
    • Квантовые точки для диагностических исследований.

  4. Датчики и сенсоры

    • Температурные, химические и механические сенсоры на основе изменений фотолюминесценции.

Ключевой момент: Фотолюминесценция служит универсальным инструментом для изучения структуры, свойств и качества материалов.

Оглавление