Определение и физическая сущность фотолюминесценции Фотолюминесценция представляет собой вид люминесценции, возникающий в результате поглощения вещества световой энергии и последующего испускания фотонов. Это явление связано с переходами электронов между энергетическими уровнями в атомах, молекулах или кристаллических структурах. Поглощённый фотон возбуждает электрон, переводя его на более высокий энергетический уровень. По мере возвращения в основное состояние происходит испускание фотона меньшей энергии — это и есть акт фотолюминесценции.
Фотолюминесценция является некогерентным процессом: испущенные фотоны не обладают согласованной фазой и направлением. Временные характеристики зависят от природы возбужденного состояния, что позволяет классифицировать фотолюминесценцию на флуоресценцию и фосфоресценцию.
Механизмы возбуждения и излучения Возбуждение может происходить под действием электромагнитного излучения в диапазоне от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного. Наиболее эффективно возбуждение происходит в области ультрафиолета и видимого света. Процесс можно разделить на три основных этапа:
Излучённый фотон, как правило, обладает меньшей энергией (длиннее волна), чем поглощённый, из-за безызлучательных потерь на релаксацию. Это явление называется стоксовым сдвигом.
Классификация фотолюминесценции Существует два основных типа фотолюминесценции:
Флуоресценция: испускание света происходит практически мгновенно — в пределах наносекунд (10⁻⁹–10⁻⁸ с) после возбуждения. Это процесс, при котором излучение возникает в результате прямого возвращения электрона в основное состояние без изменения спина.
Фосфоресценция: связана с переходом между состояниями с различным спином (обычно из триплетного в синглетное состояние), что делает такие переходы запрещёнными по квантово-механическим правилам. В результате испускание может происходить с задержкой от микросекунд до нескольких часов.
Энергетические диаграммы (диаграмма Яблонского) Для описания переходов при фотолюминесценции часто используют диаграмму Яблонского. На ней отображаются синглетные и триплетные уровни, колебательные подуровни, а также основные возможные процессы:
Зависимость спектра фотолюминесценции от свойств вещества Спектральные характеристики фотолюминесценции зависят от:
Особую роль играют люминофоры — вещества, специально предназначенные для фотолюминесценции, обладающие высоким квантовым выходом.
Квантовый выход и время жизни возбуждённого состояния Квантовый выход фотолюминесценции определяется как отношение числа испущенных фотонов к числу поглощённых. Он зависит от конкуренции между излучательными и безызлучательными процессами.
Время жизни возбуждённого состояния τ характеризует среднее время, в течение которого электрон пребывает на возбужденном уровне. Для флуоресценции τ ~ 10⁻⁹–10⁻⁸ с, а для фосфоресценции — от микросекунд до часов.
Материалы и структуры с фотолюминесцентными свойствами Фотолюминесценция наблюдается в разнообразных системах:
Каждый тип материала имеет свои особенности: ширину запрещённой зоны, время жизни, устойчивость к деструкции.
Фотолюминесценция в полупроводниках В полупроводниках фотолюминесценция возникает при рекомбинации носителей заряда. Поглощённый фотон создаёт пару “электрон–дырка”, которые затем рекомбинируют с испусканием фотона. Излучение может происходить:
Фотолюминесценция широко используется для неразрушающего анализа качества полупроводниковых структур, измерения концентрации дефектов, уровня легирования и ширины запрещённой зоны.
Применения фотолюминесценции
Аналитическая спектроскопия Фотолюминесценция используется для высокочувствительного анализа состава веществ, включая органику, металлы, биомаркеры. Возможны количественные и качественные измерения на уровне следов (нанограммы, пикограммы).
Биомедицина и биофлуоресценция Благодаря высокой чувствительности, метод используется для визуализации клеток, диагностики опухолей, отслеживания биохимических процессов in vivo. Флуоресцентные зонды и метки применяются в генетике и иммунологии.
Осветительные технологии и дисплеи Материалы на основе фотолюминесценции используются в люминесцентных лампах, светодиодах (в том числе белого цвета за счёт преобразования синего излучения), лазерах и OLED-дисплеях.
Сенсоры и детекторы Разработаны фотолюминесцентные сенсоры для определения кислотности, содержания кислорода, давления, температуры, влажности.
Солярные элементы нового поколения Фотолюминесценция играет роль в разработке фотоэлектрических преобразователей с использованием наноструктурированных материалов, где квантовые эффекты повышают КПД.
Зависимость фотолюминесценции от внешних факторов Фотолюминесценция чувствительна к ряду внешних воздействий:
Спектроскопия фотолюминесценции Фотолюминесцентная спектроскопия включает:
Эти методы позволяют определять энергетические уровни, переходные вероятности, квантовые выходы, характеристики дефектов и взаимодействий в материале.
Современные направления исследований Современные исследования сосредоточены на:
Фотолюминесценция остаётся важным инструментом физики, химии, материаловедения и биомедицины благодаря своей чувствительности, селективности и возможности зондировать микро- и наноструктуры без разрушения объекта.