第二章发光材料及其特征

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电致发光的物理过程
电致发光中，只有通过一定的电场分布，引起发光材料中载流 子的速度和能量分布发生变化，才能引起碰撞激发或离化发光中 心，然后复合发光。
(a). 在电场作用下，发光层与绝缘层界面能级处束缚的电子隧穿 发射至发光层； (b). 发光层中杂质和缺陷也电离，部分电子连同隧穿电子在电场 作用下被加速； (c). 当其能量增大到足够大时，碰撞激发发光中心，从而实现发 光； (d). 电子在穿过发光层后，被另一侧的界面俘获。
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相关名词解释
光通量
光通量是指光源在单位时间内向周围空间辐射的能引起 视觉反应能量，即可见光的能量。
它描述的是光源的有效辐射值，其国际单位是1m（流 明）。 同样功率的灯具的光通量可能完全不同，这是因为它们 的光效不同的缘故。比如：普通照明灯泡只有10 1m/W， 而金属卤素灯可以达到80 1m/W。
射线致发光材料
热致发光材料
等离子发光材料
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光致发光材料
Photoluminescence
吸收光谱
光的吸收系数随波长或频率的变化关 系曲线，称为吸收光谱。
激发光谱
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表示用不同波长的光激发材料时，使 材料发出某一波长光的效率。
发光过程
(1) 基质晶格或激活剂（或称发光中心）吸收激发能;
(2) 基质晶格将吸收的激发能传递给激活剂； (3) 被激活的激活剂发出一定波长的光而返回基态， 同时伴随有部分非发光跃迁，能量以热的形式散 发。
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Tm：铥
吸收雪崩
该现象易发生在基态对激发光的吸收比 激发态弱，而且离子间相互作用强的体 系中。 由于基态吸收比较弱，开始时 激发态E1上的电子数不多，达 到E2上的电子也不多，上转换 发光较弱。
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但处于激发态E2的离子和处于 基态G的另一个离子相互作用， 发生交叉弛豫，A离子E2上电 子跃迁到E1，同时B离子基态 的电子跃迁到E1，导致E1的电 子数增加了2个。此过程使E1 上的电子数目倍增，于是，从 E1跃迁到E2的电子数目也倍增， 上转换发光加强。
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本征式电致发光
ITO
ITO：InSnO2，Indium Tin Oxide
ZnS:Cu,Cl或 (Zn,Cd)S:Cu,Br
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本征式电致发光：利用电场直接激励电子，高能电子 与空穴复合而发光。电子的能量来自数量级为108V/m 的高电场，因此这种发光现象称为高场电致发光。
注入式电致发光
在低场下由电子－空穴对在pn结附近复合而产生的发光现 象。 由于电子和空穴的扩散作 用，在p-n结接触面两侧形 成空间电荷区（称为耗尽 层），形成一个势垒，阻 碍电子和空穴的进一步扩 散。 加上正向电压时，势垒高 度降低，耗尽层减薄，能 量较大的电子和空穴分别 注入到p区或n区，同p区的 空穴和n区的电子复合，同 时以光的形式辐射出多余 的能量。
上转换发光可以由激发态 吸收或连续能量传递产生。
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例：
上转换发光的激
发过程：
第1个光子将电子激 发到3F2能级，由于 3F 、3F 、3H 相距很 2 3 4 近，电子很快弛豫到 3H 。在此，它可能 4 吸收第2个光子跃迁 至1D2；也可能跃迁 到基态或3F4发出红外 光。3F4上的电子吸收 第2个光子跃迁到1G4， 1G 上的电子吸收第3 4 个电子跃迁到3P1，然 后弛豫到1I6，再…
发光与激发方式无关
对应于不同的吸收的能量来源： 物理能、机械能、化学能、生物能等 相应地有： 物理发光、机械发光、化学发光、生物发光等。
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材料的发光机理
分立中心发光
复合发光
分立中心发光
发光材料的发光中心受激发 时并未离化，发光过程全部 局限在中心内部。被激发的 发光中心内的电子虽然获得 了跃迁至激发态的能量，但 并未离开中心，迟早会释放 出激发能，回到基态而发出 光来。 这种发光是单分子过程，并 不伴随有光电导，故又称为 “非光电导型”发光。
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交流粉末电致发光器件结构：
Al ELECTRODE INSULATOR
绝缘层的作用： 1. 消除不希望有的漏电流 2. 在高电场下不会击穿 绝缘层使用高介电常数和 高介电强度的材料： Y2O3、Si3N4、Al2O3等。
PHOSPHOR (50-100μ m )
ITO ELECTRODE
PLASTIC SUBSTRATE
光致发光材料
发光材料在光（紫外光、红外光、可见光等） 照射下激发发光。 发光材料在电流作用下的激发发光，如 LED/OLED。 发光材料在电子束或其它射线束的轰击下的 激发发光。 又称热释发光，发光材料在热作用下的激 发发光。 发光材料在等离子体作用下的激发发光，如 稀有气体、汞、钠等。
电致发光材料
3. 发光持续时间特征
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发光持续时间特征
规定当激发停止时，其发光亮度L衰减 到初始亮度L0的10%时所经历的时间为 余辉时间，简称余辉。
人眼能够感觉到余辉的长发光期间者为磷光； 人眼感觉不到余辉的短发光期间者为荧光。 荧光与磷光无严格区别。 极短余辉：余辉时间<1s的发光； 短余辉： 余辉时间1~10s的发光； 中短余辉：余辉时间10-2～1ms的发光； 中余辉： 余辉时间1～100ms的发光； 长余辉： 余辉时间10-1～1s的发光； 极长余辉：余辉时间>1s的发光
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高场电致发光分类
基于高场下的电致发光现象所制成的器件，根据发光物 质的形态和驱动电压波形可分为四类：
分辨率高、矩阵驱动 交流薄膜电致发光 寿命长（>20000h) 可实现彩色化及全色显示 交流驱动 液晶背光源 交流粉末电致发光 发光效率高（1－5lm/W） 寿命短（ 2500h） 直流薄膜电致发光——可靠性差 直流驱动 低压矩阵驱动 直流粉末电致发光 可实现彩色化
Pe

E kT
若温度T大，则P大，即导带中的电子数 目增多，复合的次数增多，发光增强。 陷阱中的电子数目是有限的，这些电子 耗尽了，即使继续升温，也没有可以参 与复合的电子，因此不再发光。 陷阱可有不同深度，使电子释放出来所 需的温度就有高有低。
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上转换发光
如果一个激发光光子产生 一个发射光光子，发射光 子的能量必然不会大于激 发光光子的能量。 如果发光材料能够吸收两 个或多个光子而产生一个 光子，可能发射出波长短 的光，这种现象称为上转 换发光。
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碰撞离化
电致发光的一种重要的激发机构。
在碰撞离化过程中电场的能量直接转变成晶体中电子的能 量，使得电子能量分布发生变化，处在导带中的电子在电 场加速下达到较高的能量状态，并与发光中心碰撞而离化， 即形成了激发态。当电子从这些能量较高的激发态再跃迁 回到原来能量较低的状态时，就可能产生各种辐射复合发 光。 在发光层中，过热电子碰撞激发发光中心的几率取决于发 光中心的横截面大小、发光中心的空间密度和电子达到碰 撞激发阈值能量的几率。器件的效率则取决于发光中心、 基质晶格和绝缘层的性质以及器件工作的方式。
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热释发光
当激发发光体后，发光将逐渐衰减，直至发光消失。随后， 逐渐升高发光体的温度，有的发光材料又会逐渐发光，并逐 渐变强，在某一温度时达到最大值后又逐渐变弱，这种变化 随着温度的上升，可以重复几次，直到高温时发光才消失。 在材料的禁带中，存在着不同深度的陷 阱。在激发过程中，有的电子就掉进了 这些深度不同的陷阱。陷阱中的电子回 到导带的几率为：
上转换发光的另一种机制：逐次传递能量。
双掺杂体系：一种为能量的供体；一种为能量的受体
受体
供体
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量子剪裁
一个高能量的紫外或真空紫外光子变成两 个能量较低的可见光光子的现象称为量子 剪裁，或称为量子劈裂或光子级连发射。
如（a）图，一个可 见光光子的产生以消 耗一个高能光子为代 价，即使量子效率接 近100%，能量效率 也比100%小很多。
自发发光：受激发的粒子 （如电子），受粒子内部 电场作用从激发态A而回 到基态G时的发光。 受迫发光：受激发的电子 只有在外界因素的影响下 才发光（亚稳态发光）。
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复合发光
发光材料受激发时分离出一对带异号电荷的粒子，一 般为空穴和电子，这两种粒子复合时便发光，称为复 合发光。 由于离化的带电粒子在发光材料中漂移或扩散，从而 构成特征性光电导，故又称为“光电导型”发光。
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色 温
色温是指光源发射的颜色与黑体在某一温度下辐射的光 色相同时，黑体的温度称为该光源的色温，一般以开氏K 为单位。比如3200K和5600K等。 色温高，光线的颜色偏冷：色温低，光线的颜色偏暖： 色温适中时，光线接近于白色。
自然界正常日照下，光线的色温一般都要高于人工灯具的色温。通 常情况下，阳光的色温为5600K左右，而演播室及演出用灯具的色温 都在3200K左右。（热光源）
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A：激活剂
S：敏化剂（能强烈地吸收激发能，然 后将能量传递给激活剂）
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（1）导带电子与俘获的空穴 复合
（2）俘获的电子与价带的空 穴复合
（3）激发能传给孤立中心， 发光跃迁在分立的中心内部 （4）导带中的电子直接与价 带中的空穴复合 （5）俘获的电子与俘获的空 穴复合
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斯托克斯规则
发光波长总是大于激发波长。即发光的光子能量必 然小于激发光的光子能量。 用紫外线激发发光材料时，可得到可见光区域的各 种颜色的光。 用蓝光激发，只能得到红光、橙光，至多是绿光。 若周围环境的振动能比较高，而发光中心的激发态所 处的振动能级比较低，此时发光中心有可能得到一部 分振动能而升到比较高的激发态。从激发态到基态的 跃迁所伴随的发光的能量就比激发能量高，发光的波 长比激发光的波长短，称为反斯托克斯发光。 激光致冷就是利用反斯托克斯现象不断将物体的振动 能以光的形式发射出去，使物体温度降低。
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照 度