第二章 发光材料及其特征.
发光材料
发光材料1原理物质内部以某种方式吸收能量，将其转化成光辐射(非平衡辐射)的过程称为发光；在实际应用中，将受外界激发而发光的固体称为发光材料。
它们可以粉末、单晶、薄膜或非晶体等形态使用，主要组分是稀土金属的化合物和半导体材料，与有色金属关系很密切。
1、当某种物质受到激发（射线、高能粒子、电子束、外电场等）后，物质将处于激发态，激发态的能量会通过光或热的形式释放出来。
如果这部分的能量是位于可见、紫外或是近红外的电磁辐射，此过程称之为发光过程。
2、发光就是物质在热辐射之外以光的形式发射出多余的能量，这种发射过程具有一定的持续时间。
二，结构高纯稀土氧化物Y2O3、Eu2O3、Gd2O3、La2O3、Tb4O7等制成的各种荧光体，广泛应用于彩色电视机、彩色和黑白大屏幕投影电视、航空显示器、X射线增感屏,以及用于制作超短余辉材料、各种灯用荧光粉等。
半导体发光材料有ZnS、CdS、ZnSe和GaP、GaAs1-xPx、GaAlAs、GaN等。
主要用于制造各色大中型数字符号、图案显示器、数字显示钟、X 射线图像增强屏和长寿命各色发光二极管、数码管等。
可见光发光二极管，因显示响应速度快而广泛应用于仪表、计算机，年产量成倍增长，不断取代其他显示器件三．分类发光材料的发光方式是多种多样的，主要类型有：光致发光、阴极射线发光、电致发光、热释发光、光释发光、辐射发光等。
无机材料，有机材料。
．自发光体这种材料经常被当作光致发光物体。
自发光物体在黑暗中可发光，但事先不需要暴露在日光下。
这些材料通常作为表盘上的发光标记以及用于长期发光的物体的制作，它们含有放射性元素。
．磷光物体由于含有磷元素而发光，这种材料也经常被当成光致发光材料。
三．应用1．反光材料这种材料可以将照在其表面上的光迅速地反射回来。
材料不同，反射的光的波长范围也就不同。
反射光的颜色取决于材料吸收何种波长的光并反射何种波长的光，因此必须要有光照在材料表面，材料表面才能反射光，如各种执照牌、交通标志牌等。
固体发光讲义 - 第二章 发光的几个重要特征
第二章发光材料及其特征2-1 发光材料几乎所有的无机固体发光材料都是由两部分组成的。
其一是材料的主要成分，也就是它的主体，在发光学的术语中，称为基质（host）。
其二是有意掺入的少量成分，称为激活剂（activator）。
激活剂对发光的性能有重要的作用，能够影响甚至决定发光的亮度和颜色以及其它性能。
不过它在材料中的浓度却很小，有时少到10-5-10-4克/克。
表示材料的符号，激活剂常写在基质后面，例如ZnS:Cu, ZnS就是基质，Cu是激活剂，也有人把激活剂写在基质前面。
激活剂还可以不止一种。
第二种掺质起改善或改变发光性能的作用，叫共激活剂（co-activator），那些能够明显增强发光强度的另加杂质叫敏化剂（sensitizer）。
有些基质自己就可以发光，但极少实用的无机发光材料是不含激活剂的。
至于有机材料，它们是通过分子而发光。
分子相互之间的作用很弱，因此每个分子基本是孤立的。
它们无论在什么状态下（在液态，固态或作为杂质掺入其它基质中）发光，其特征都不会有很大差别。
无机固体则很少能够独自发光而无需激活剂的。
发光材料一般有三种型态：粉末、薄膜和单晶。
粉末状无机材料是研究和应用的最早、使用量又最大的一种。
日光灯、电视机及计算机的显象管以及X光屏等日常生活随处可见的东西都要用它。
因此在提起发光材料时，人们就常常会认为指的是这种材料，也就是通常所谓的荧光粉。
实际并非如此。
另外是单晶，除了发光二极管和光盘必需的半导体激光管已是众所周知的，还有射线探测用的器件等都是单晶，第一章里已经简单介绍过了，以后还会谈到。
薄膜之类的材料已经研究许多年，已有一些应用。
不过技术上还有待继续发展。
荧光粉是无机材料。
一般需在高温下灼烧。
温度在10000到15000C的范围。
为了生产上节约能源，降低温度是很重要的，所以通常都尽可能使用13000C以下的温度或更低一些。
在灼烧以前，先要设法将各种成分混匀。
有时除基质和激活剂之外，还需加一种熔点较低的物质，叫做助熔剂（flux）。
发光材料类型与性质
这时，基质晶格M吸收激发能，传递 给搀杂离子，使其上升到激发态，它返回 基态时可能有以下三种途径：
①以热的形式把激发能量释放给邻近的晶 格，称为“无辐射弛豫”，也叫荧光猝灭；
②以辐射形式释放激发能量，称 “发光” ；
③S将激发能传递给A，即S吸收的全部 或部分激发能由A产生发射而释放出来，这 种现象称为“敏化发光”，A称为激活剂，S通 常被称为A的敏化剂。
② 稀土化合物作为基质材料
常见的可作为基质材料的稀土化合物 有Y2O3、La2O3和Gd2O3等，也可以稀土 与过渡元素共同构成的化合物作为基质材 料(如YVO4)。
② +4价态稀土离子的光谱特性
+4价态稀土离子和与其相邻的前一个+3 价稀土离子具有相同的4f电子数目。例如， Ce4+和La3+，Pr4+和Ce3+，Tb4+和Gd3+等。
+4价态稀土离子的电荷迁移带能量较低 ，吸收峰往往移到可见光区。
如Ce4+与Ce3+的混价电荷迁移跃迁形成 的吸收峰已延伸到450nm附近，Tb4+的吸收 峰在430nm附近。
辐射的光能取决于电子跃迁前后所在 能带(或能级)之间的能量差值。
在去激发跃迁过程中，电子也可能将一 部分能量转移给其它原子，这时电子辐射的 光能小于跃迁前后电子所在能带(或能级)的 能量差。
⑵ 发光过程
固体发光的物理过程示意图如下：
其中，M表示基质晶格； A和S为搀杂离子； 并假设基质晶格M的吸收不产生辐射。
发光是一种宏观现象，但它和晶 体内部的缺陷结构、能带结构、能量 传递、载流子迁移等微观性质和过程 密切相关。
⑴ 固体发光与晶体内部结构
晶体中的能带有价带、导带、禁带。
发光材料及物理基础-2
反射谱与吸收谱之间的关系？
4。光激发
LOMO
Eg HOMO
激发光谱：发光的某一谱线或谱带的强度随激 发光波长（或频率）的变化。
Zn2SiO4:Mn的激发谱
吸收谱与激发谱之间的关系
1. 激发引起发光 2. 吸收能量包括发光和无辐射 3. 吸收光谱包含激发光谱
5。 光发射 发光光谱（也称发射光谱）
第四章 分子发光分析
主要介绍荧光和磷光
第一节
一、基本原理
荧光和磷光
（一）荧光和磷光的产生 荧光： 处于分子基态单重态中的电子，当 其被激发时，通常跃迁至第一激发态单重态轨道 上，也可能跃迁至能级更高的单重态上。这种跃 迁是符合光谱选律的，如果跃迁至第一激发三重 态轨道上，则属于禁阻跃迁。单重态与三重态的 区别在于电子自旋方向不同，激发三重态具有较 低能级。
500 600 Wavelength(nm) 700 800
300
400
PL spectra of PCzANT copolymers
PCzANT: 488nm 成为主峰,能量转移消 除激基复合物发射
Homework:how to measure polarized luminescent light?
氙灯 ① ② PMT
样品室 光谱测试装置
6. 能量传输（转移）
发光材料吸收了激发光，就会在内部发生能量状 态的改变：有些离子被激发到较高的能量状态，或者 晶体内产生了电子空穴，等等。 电子和空穴一旦产生，就将任意移动。这样，激 发状态也就不会局限在一个地方，而将发生转移。即 使只是离子被激发，不产生自由电子，处于激发态的 离子也可以和附近的离子相互作用而将激发能量传出 去。 这就是说，原来被激发的离子回到激态，而附近 的离子则转到激发态。这样的过程可以一个接一个地 继续下去，形成激发能量的传输。能量传输在发光现 象中占有重要的地位。 转移：在不同分子间进行能量传输
发光材料
1.2固体发光的两个基本特征
（１）任何物体在一定温度下都具有平衡热辐射，而发光是指吸收外来能量后，发出的总辐射中超出平衡热辐射的部分。
（２）当外界激发源对材料的作用停止后，发光还会持续一段时间，称为余辉。这是固体发光与其他光发射现象的根本区别。
1.3发光材料的主要分类
发光材料的发光方式是多种多样的，主要类型有：光致发光、阴极射线发光各种类型激发作用下能产生光发射的材料。主要由基质和激活剂组成，此外还添加一些助溶剂、共激活剂和敏化剂。基质是发光材料的主要组分，约占重量的90％以上。单一或混合的化合物都可作基质。混合基质常使用具有同一晶型的物质，如 ZnS·CaS、CaS·SrS等。激活剂对基质起激活作用，并形成发光中心，其重量约占基质 1 ／ 1000～1／10000，甚至1／100000。周期表中大多数元素都可做激活剂，常用的有 Cu、Mn、Au等。助溶剂的作用是，在制备发光材料时，使激活剂容易扩散到基质晶格中而形成发光中心，同时还起保护气氛作用，其掺入量约占配料的2％～5％。常用的助溶剂主要为各种盐类，如LiCl、KCl、CaF2等。共激活剂用于与激活剂协同激活基质，用量与激活剂相当。敏化剂用于增强材料发光，并能把吸收的能量传递到激活剂，从而提高发光效率。
发光材料的基本特性和应用
发光材料的基本特性和应用发光材料是一类具有特殊发光性质的材料。
它们能够在光激发下，通过激发态的激光能够使材料发生较强的光发射。
随着光学和光电学技术的不断发展，发光材料在光电领域中的应用也越来越广泛。
发光材料的基本特性1. 发光原理发光材料能够在外界激发下，从能级较高的激发态跃迁到能级较低的基态，释放出能量。
这个过程中可以通过幅射或非幅射的方式进行，而总的效果是将激发态的能量转化为光发射。
发光材料的发光原理种类较多，在具体应用时需要根据材料的性质和作用场景选择合适的原理。
2. 发光颜色发光材料的发光颜色取决于其所处的能级状态，即材料的电子能带结构。
通常情况下，发光材料的发光颜色与其原子、分子等基本成分密切相关。
例如，红色的荧光材料常常来源于草酸根式的阳离子，而绿色的荧光材料则常常来源于镉硫化物等。
3. 发光效率发光材料的发光效率是评价其性能的一个指标。
一般来说，发光效率越高的材料，其发光亮度就越大。
为了提高发光效率，人们通常会对发光材料进行各种改性，比如加入掺杂物、改变结构等。
发光材料的应用1. LED照明LED（Light Emitting Diode）是当前比较常见的照明方式之一。
它利用半导体材料发光的特性，通过多种工艺制成各种形状和颜色的光源，广泛应用于室内、道路照明以及各种装饰灯具等领域。
2. 显示技术发光材料在显示技术中的应用也比较广泛。
例如，在带有发光背景板的液晶电视机和电子书阅读器中，发光材料用来形成底层光源，提供较强的背光照亮。
3. 光电器件发光材料还可以用于制备各种光电器件。
例如，发光二极管（LED）可用于光纤通信、宽带接入、军工雷达等行业，以及荧光粉、荧光玻璃等材料也被应用于指示灯、计数器、高亮度壁画、高温液体液位显示等领域。
4. 生物医疗在生物医疗领域，发光材料也被广泛应用。
例如，用于生物标记实现免疫分析、诊断分子生物学等分析方法；分析、诊断和治疗人类疾病等。
综上所述，发光材料具有独特的性能和应用优势，是现代光电技术和光电学领域中不可或缺的重要组成部分。
发光材料的种类及其特点
发光材料的种类及其特点
发光材料是指能够通过吸收外部能量，激发出可见光的材料。
根据不同的激发方式和发光原理，发光材料可以分为以下几类：
1.稀土发光材料
稀土发光材料是指利用稀土元素的特殊电子结构，在外部刺激下产生光发射的现象。
这类材料具有较高的发光效率和色纯度，被广泛应用于显示、照明、光电器件等领域。
常见的稀土发光材料包括稀土荧光粉、稀土激光晶体等。
2.荧光粉
荧光粉是指通过吸收紫外光或蓝紫光等短波长的能量，将其转化为可见光的材料。
荧光粉的发光效率高，色纯度好，因此在显示器、照明等领域得到广泛应用。
根据激发方式的不同，荧光粉可以分为热激活型和光激活型两类。
3.光致发光材料
光致发光材料是指通过光子的吸收和辐射来发光的材料。
这类材料可以在紫外线、可见光、红外线等波长范围内使用，因此被广泛应用于各种光电效应器件中。
光致发光材料的发光效率、色纯度和稳定性等性能与材料的能级结构、杂质和缺陷等密切相关。
4.电致发光材料
电致发光材料是指通过电场的作用激发出电子，电子与发光中心碰撞产生光辐射的材料。
这类材料具有直接发光、高亮度、低能耗等优点，因此在显示器、照明、光电传感器等领域得到广泛应用。
电致
发光材料的性能与材料的能带结构、杂质和缺陷等密切相关。
5.化学发光材料
化学发光材料是指通过化学反应产生光的材料。
这类材料通常由两种化学物质组成，它们在相遇时会产生化学反应并释放出能量，这种能量以光的形式释放出来。
化学发光材料具有高灵敏度、低检测限等优点，因此在分析化学、生物医学、环境监测等领域得到广泛应用。
发光材料知识点总结图解
发光材料知识点总结图解一、发光材料的定义发光材料是指在激发作用下能够发生发光现象的材料。
它通过吸收外界能量，然后释放出光能的过程，从而实现发光的效果。
发光材料广泛应用于显示屏、发光二极管（LED）、荧光体、有机发光二极管（OLED）、激光材料等领域。
二、发光材料的分类1. 无机发光材料：主要包括磷光体、发光二极管（LED）等。
磷光体是指在受到紫外线等激发条件下能够发射出可见光的材料，常用于夜光材料、荧光体等领域。
而LED是由具有半导体结构的材料组成的，通过激发能量使得电子在半导体材料中跃迁，从而产生光辐射的现象。
2. 有机发光材料：主要包括有机发光二极管（OLED）、荧光表面材料等。
OLED是将有机材料溶液制备成薄膜层，通过在其两侧施加电场而产生发光的材料，具有可控性强、色彩丰富等特点。
3. 激光材料：主要包括半导体激光材料、固体激光材料等。
半导体激光材料是利用半导体材料产生激光的材料，具有小体积、高效率等特点；而固体激光材料则是指使用固态材料构成的激光系统，具有稳定性好、使用寿命长等特点。
三、发光材料的发光原理1. 磷光体：磷光体在受到紫外线等外界能源激发后，磷光体内部的激子（电子-空穴对）被激发，经过非辐射跃迁后，能够释放出能量，从而产生可见光的发光现象。
2. LED：LED的发光原理是基于半导体材料的电致发光效应。
当外加电压施加在半导体二极管P-N结上时，电子与空穴在P-N结附近复合，产生光子而发光。
3. OLED：OLED的发光原理是利用有机材料溶液制备成薄膜层，通过在其两侧施加电场而产生发光的现象。
当电子和空穴在有机材料中遇到时，就会形成激子，激子会经过共振辐射的方式而释放光子。
4. 激光材料：激光材料的发光原理是利用受激辐射的方式产生高能量的光子。
当激光材料受到外界激发能量时，其内部的物质跃迁便能通过共振的方式产生一种特定波长和相干性极高的激光光束。
四、发光材料的应用1. 显示屏：发光材料广泛应用于液晶显示屏、LED显示屏等，可以实现图像显示、视频播放等功能。
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短复合发光，单分子过程，<10-10s 长复合发光，双分子过程
4
材料的发光特征
1. 颜色特征
不同的发光材料有着不同的发光颜色。
2. 发光强度特征
发光强度代表发射光的能量，是一个客观数值；发光的亮度是人眼的 感觉，是主观判断的结果，其中包含了眼睛对不同颜色视觉的差别。 发光效率用来表征材料的发光本领。 量子效率：发光的量子数与激发源输入的量子数的比值。 能量效率（功率效率）：发光的能量与激发源输入的能量的比值。 流明效率（光度效率）：发光的流明数与激发源输入的能量的比值 （lm/W）。
第二章 发光材料及其特征
材料发光原理 重要发光概念 发光过程
小结
1
冷光
不需要提高物体的温度，是物体在某种外界条 件的刺激下偏离热平衡状态时由激发态到基态 的跃迁所产生的辐射。是一种非平衡辐射。
光的发射是物体中电子从高能态到低能态的跃迁产生的， 物体要发光，首先就得使物体中的电子处于高能态。 以某种方式将能量传递给物体使电子提升到一定高能态 的过程，称为激发过程。 发光就是将所吸收的激发能转化为光辐射的过程。
11
发光光谱
(1)线谱
发光光谱指发光强度随波长或能量的 分布曲线，是发光材料独具的特征。 (2)带谱
(3)
12
发光材料分类（按激发方式来分）
光致发光材料 电致发光材料 射线致发光材料 热致发光材料 等离子发光材料
13
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。
9
照度（lx） 70000 5500 1000～2000 0.25 0.001 1000 120 1~16
亮 度
亮度是指发光体在单位面积内发光强度。 单位是：cd/cm2。 坎 [德拉]（cd）为发光强度的国际单位。 与照度定义几乎相同，如果我们把每一物体都视为光 源的话，那么亮度就是描述光源光亮的程度，而照度 正好是把每一物体都作为被照物体，用一块木板来举 例说明，当一定光束照到木板时我们讲木板有多少照 度，然后木板将多少光束反射到人眼，就称为木板的 多少亮度，那么有如下式子：亮度等于照度乘以反射 率。在同一房间同一位置一块白布和一块黑布的照度 是相同的，而亮度是不同的。
光致发光材料
Photoluminescence
吸收光谱
光的吸收系数随ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ长或频率的变化关 系曲线，称为吸收光谱。
激发光谱
14
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。
15
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）
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。
2
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。
7
照 度
照度是指发光体照射在被照物体单位面积上的光通量， 其国际单位是lx（勒 [克斯] ）。
1 lx = 1 lm/m2
照度的定义和测量比较复杂，象平均柱面照度、等效球 照度、标量照度等，它们的测量条件和计算方法有所不 同。 在建筑和装饰工程中经常会遇到、灯光系统中偶尔也涉 及到照度概念。
8
光源 太阳，夏 太阳，冬 白昼，阴天 满月夜 星光，晴朗无月夜 工作台照明 起居室照明 街道照明
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）。
3
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。
10
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） 近年来电视演播室兴起的冷光源布光，是对传统光源的变革。冷光 源的色温高，耗能低，发热小，在进行室内外摄相时，色温转换简 单，画面自然，当然冷光源对调光台的性能要求也要高些。
6
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。
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<1µs的发光； 短余辉： 余辉时间1~10µs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