Физика образования люминесценции при фотовозбуждениии

Виды люминесценции

1) фотолюминесценция - возбуждение фотонами;

2) катодолюминесценция - возбуждение электронами;

3) рентгенолюминесценция - возбуждение излучением с λ < 1нм;

4) корпускулолюминесценция - возбуждение α - частицами (протонами);

5) электролюминесценция - возбуждение в электрическом поле;

6) термолюминесценция - высвобождение энергии при нагреве вещества, предварительно облучённого при низких температурах;

7) трибо- или механолюминесценция - при раскалывании или растирании твёрдого вещества;

8) радиолюминесценция - под воздействием γ- излучения (тритиевые неэлектрические источники света);

9) хемилюминесценция - при химических реакциях (неэлектрические источники света);

10) биолюминесценция - при химических реакциях в живых организмах;

11) радикалорекомбинационная люминесценция - под воздействием энергии, высвободившейся при образовании молекул из отдельных радикалов;

12) адгезолюминесценция - при освобождении энергии адгезии (при отрыве липкой ленты от поверхности - перцовый пластырь);

13) сонолюминесценция - люминесценция в жидкости под воздействием ультразвука (высвобождение энергии кавитации - схлопывание пузырьков);

14) кандолюминесценция - свечение люминофоров в пламени свечи (близка к п.11);

15) антистоксовая люминесценция - не соответствующая закону Стокса (см. ниже);

16) ионолюминесценция - возбуждение ионами;

17) инжекционная люминесценция - при инжектировании электронов в активную зону полупроводников (полупроводниковые светодиоды и лазеры).

В соответствии с квантовой теорией света - при возбуждении люминофора происходит возбуждение атома (иона) активатора (перевод электронов на более высокие энергетические уровни). При возвращении электронов (атомов) в основное состояние происходит излучение энергии. Если поглощение и излучение энергии происходит внутри иона активатора, вошедшего в кристаллическую решетку основы люминофора, то такие люминофоры называются характеристическими - большинство ламповых люминофоров. Характерными признаками этих люминофоров являются отсутствие у них фотопроводимости и экспоненциальный закон затухания.

Другой класс люминофоров (сульфидные и селенидные) - в них поглощение энергии может происходить не только активаторами, но и основой люминофора, затем энергия, поглощённая основой люминофора, передаётся ионам активатора. Процесс передачи осуществляется переносом электронов и дырок, а излучение происходит в результате рекомбинации свободных электронов с любым центром свечения (ион активатора в кристалле основного вещества). Это люминофоры рекомбинационного типа - они обладают фотопроводимостью и имеют сложный процесс затухания люминесценции (экспоненциальная + гиперболическая части). У этих люминофоров наблюдается внутренний фотоэффект, изменяется электропроводность и и величина диэлектрической проницаемости. Максимум проводимости совпадает с максимумом возбуждения люминесценции (при одной λ), т.е. существует тесная связь между фотопроводимостью и люминесценцией. Эти люминофоры являются полупроводниками, поэтому для объяснения их теории привлекается зонная теория твёрдого тела.

В твёрдом теле, согласно квантовой теории, взаимодействие атомов в кристаллической решетке приводит к расщеплению энергетических уровней атомов на подуровни, число которых равно числу взаимодействующих атомов. Совокупность таких подуровней образует энергетическую зону. В зависимости от того насколько были заполнены уровни электронами при образовании зоны, она может быть незаполненной, частично заполненной и заполненной. Заполненная зона называется валентной, незополненная - зоной проводимости, в ней электроны могут свободно перемещаться. Эти зоны разделены промежутком, в котором переходы запрещены, - это запрещённая зона шириной несколько эВ.

Рис.1 Зонная схема электронных переходов в люминофорах рекомбинационного типа[10]: I - валентная зона, II - запрещённая зона, III - зона проводимости, А₁ - основной уровень активатора, А₂ - возбуждённый уровень активатора, Л - уровунь электронной ловушки.

е примесей (активаторов) приводит к местным нарушениям в решетке кристаллов и созданию условий для образования энергетических уровней в запрещённой зоне. В запрещённой зоне, кроме уровней активатора, существуют уровни захвата (ловушки Л), связанные с образованием различных дефектов в решетке и с введением в неё некоторых примесей - они (их может быть несколько) могут иметь различную глубину.

При возбуждении люминофора энергия может поглощаться как на уровнях активатора, так и в основном веществе люминофора, в первом случае - электрон переходит с уровня А1 на уровень А2 (переход 1) и излучается фотон (переход 2), электрон возвращается на основной уровень. Электроны могут перейти с возбуждённого уровня в зону проводимости (переход 3) и могут быть захвачены ловушками (переход 4). Переход из ловушки снова в зону проводимости может быть осуществлён только при нагревании или возбуждении ИК-излучением (переход 5). При этом электроны могут быть снова захвачены ловушками или перейти на уровень активатора (переход 6) и рекомбинировать с центром свечения - возникает излучение (переход 2). При поглощении основой электроны переходят из валентной в зону проводимости (переход 7). Образованные в валентной зоне дырки могут перейти на уровень активатора и создать в нём положительные заряды - в этом случае излучение происходит при рекомбинации электронов из зоны проводимости и дырок на уровне активатора.

Из приведённой схемы электронных переходов следует, что в результате возбуждения центры люминесценции могут быть ионизованы, а оторванные из них электроны захвачены в ловушки. После выключения возбуждения электроны постепенно освобождаются с ловушек и рекомбинируют с ионизованными центрами. Этим объясняется явление послесвечения.

Дата добавления: 2014-01-06