Люминисценция (стр. 1 из 3)

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ

на тему:

«ЛЮМИНИСЦЕНЦИЯ»

МИНСК, 2008

1. Люминисценция

Явление, при котором вещество, либо поглощая энергию света ионизирующего или другого излучения, либо под действием различных химических реакций переходит в возбужденное состояние, а затем, возвращаясь в исходное состояние, излучает полученную энергию в виде света, называют люминесценцией. Кратковременное люминесцентное излучение, прекращающееся почти сразу с окончанием возбуждения, это флюоресценция, а длительное, продолжающееся и после окончания возбуждения, - фосфоресценция. Явления люминесценции делятся на несколько видов, в зависимости от способа возбуждения (табл. 1).

Фотолюминесценция - свечение вещества при облучении светом. Фотолюминесцентные материалы это возбуждаемые ультрафиолетовым излучением соединения Y₂O₃:Eu³⁺ (красное свечение) и CaWO₄:Pb (сине-зеленое свечение), рабочие тела лазеров, такие, как рубин (Al₂O₃: Сг3+), неодимовое стекло, органические красители, подобные родамину 6Ж, и многие другие.

Катодная люминесценция - свечение вещества при облучении пучком электронов. Пример материалов для катодной люминесценции - ZnS:Cu, Al (зеленое свечение), Y2O3S:Eu4 и модификации ZnO (красное свечение). Существуют также материалы, светящиеся при бомбардировке низкоскоростными электронами: ZnO:Zn (зеленое свечение), ZnS:Ag + In2O3 (сине-зеленое свечение) и им подобные.

Электролюминесценция - свечение вещества под действием электрического поля. При этом свечение под действием сильного поля, увеличивающего кинетическую энергию носителей заряда в веществе, называют предпробной электролюминесценцией, а излучение света, возбуждаемое инжектированными носителями за счет разности их потенциальных энергий, созданной в твердом теле, называют инжекционной люминесценцией. Пример материалов для предпробойной электролюминесценции - ZnS:Cu, XnS:Mn, а для инжекционной - GaP:N, GAP:Zn, GaAs1-xPx, Alx Ga1-xAs

Свечение, сопровождающее химические реакции, проходящие в веществах, называют хемолюминесценцией. Пример такого явления - свечение синего цвета, возникающее при окислении желтого фосфора. Возбуждение химического лазера производится с помощью, например, реакции между фтором и водородом.

Чаще всего энергия (частота) возбуждающего излучения выше энергии (частоты) свечения, и тогда люминесценцию называют стоксовой. В противоположном случае говорят об антистоксовой люминесценции.

Таблица 1. Виды, механизмы, материалы и применение люминесценции

2.Вынужденное излучение и усиление света

Все атомы и молекулы, все твердые тела и жидкости могут излучать свет с характерным для каждого из них набором длин волн. Причина в том, что энергия электронов в атоме, колебательная и вращательная энергия молекул, энергия электронных уровней в твердом теле может принимать только определенные дискретные наборы значений, характерные для каждого конкретного вида атомов, молекул и твердых тел. И когда электрон с энергией E₂ переходит на уровень с энергией Е₁ испускается квант света с длиной волны λ, обратно пропорциональной разности этих энергий (E₂ - Е₁ = hv, где h - постоянная Планка, v = 1/ λ).

Излучение света может происходить двумя способами. Первый способ показан на рис. 2а. Когда электроны в атоме, находившиеся на энергетическом уровне E₂, без постороннего влияния переходят на более низкий энергетический уровень E₁, испустив световой квант, это спонтанное излучение. Если рядом находится атом, способный излучать свет с длиной волны, равной λ, или очень близкой к ней, то при поглощении этим атомом света с указанной длиной волны электрон переходит с уровня E₁ на уровень E₂. Такое явление называют резонансным поглощением (рис. 2б). Второй способ: электроны находятся на уровне E₂ и атом подвергается воздействию света с длиной волны, соответствующей резонансному поглощению. В этом случае атом испускает свет, по длине волны и фазе полностью соответствующий воздействию (рис. 2в). Такое явление называют вынужденным (индуцированным) излучением.

Рис. 2. Спонтанное излучение (а), резонансное поглощение (б)

и вынужденное излучение (в) света

Считают, что причины вынужденного излучения таковы. При отсутствии света волновая функция электрона (квадрат ее амплитуды выражает вероятность пребывания электрона на данном энергетическом уровне) может быть либо функцией состояния E₁ либо функцией состояния E₂ (рис. 3а), причем обе эти волновые функции взаимно независимы. Под действием электромагнитного поля света распределение вероятности изменяется. Возникает суперпозиция состояний, описываемая линейной комбинацией указанных выше волновых функций. Иначе говоря, возникает смещение зарядов вдоль вектора напряженности электрического поля падающего света, причем заряды колеблются около положения равновесия с той же фазой и частотой, что и световая волна. Атом становится диполем, излучающим свет с частотой и фазой падающего света.

Если собрать N свободных атомов, то получим N электронов и 2N энергетических уровней. Когда эта система находится в тепловом равновесии, то число электронов n₁ на уровнях с энергией E₁ больше, чем число электронов n₂ на уровнях с энергией E₂. И хотя такая система в состоянии излучать свет с длиной волны λ, однако резонансное поглощение преобладает и спонтанное излучение прекратится. Но если каким-либо способом сделать n₂ больше, чем n₁ (такое распределение электронов называют инверсным, и так как, по определению абсолютной температуры, это состояние возможно только при температуре ниже абсолютного нуля, его называют состоянием с отрицательной температурой), то вынужденное излучение будет преобладать над резонансным поглощением (рис. 4). Таким образом, падающий свет может сопровождаться вынужденным излучением с той же фазой и длиной волны, но интенсивностью во много раз выше. Это и есть усиление света. Повышение интенсивности на единицу длины рабочего тела, выраженное в процентах, называют коэффициентом усиления. Свет можно усиливать с помощью неодимового стекла и подобных ему материалов.

Лазерная генерация - это усиление вынужденного излучения с использованием оптического резонатора.

3. Синхронное орбитальное излучение

При искривлении траектории в магнитном поле ускорителей кольцевого типа, например синхротрона, электроны излучают электромагнитные волны, называемые синхротронным орбитальным излучением В настоящее время часто используют термины синхротронное излучение и синхротронное свечение.

На рис. 7 приведена схема возникновения синхронного излучения в устройстве кольцевого типа. Электроны, уже набравшие необходимую скорость в линейном ускорителе, влетают в кольцо с поворотными электромагнитами и движутся в нем. В тех местах, где магнитное поле искривляет траекторию электронов, ставятся выходные окна для излучения. Полученное излучение используют для различных целей. Такие сооружения есть в Японии: в Институте деления атомного ядра Токийского университета (0,4 ГэВ), в Институте деления и синтеза атомных ядер (0,6 ГэВ) и в институте физики высоких энергий (2,5 ГэВ).

Синхротронное излучение может занимать любую область в широком спектре длин волн - от инфракрасного, видимого и ультрафиолетового до рентгенов.

4. Хромизм

Хромизмом называют обратимые изменения цвета вещества под действием электрического поля, при облучении светом или пучком электронов. Если цвет изменяется под действием ультрафиолетовых лучей и становится прежним под действием видимого света – это фотохромизм. Если цвет изменяется при облучении пучком электронов – это катодный хромизм, а под действием электрического поля – электрохромизм.

Фотохромные материалы - это, например, хлориды щелочей (КС1 и др.), фториды типа СаF₂ с присадками редкоземельных элементов или такие вещества, как SrTiO₃, CaTiO₃, TiO₂, с присадками металлов переходных групп, а также некоторые органические вещества. Электрохромные материалы среди неорганики – хлориды щелочей, оксиды переходных металлов типа WO₃ и MoO₃, а среди органики – биологические материалы и их производные, а также имидазол, дифталоцианины редкоземельных элементов.

Рассмотрим для примера механизм фотохромного изменения окраски в кристалле СаF₂:Sm, Eu. Как показано на рис. 5, атомы Sm и Eu имеют уровни возбуждения, различные по энергии ионизации. Когда кристалл находится в состоянии теплового равновесия, уровни Sm²⁺ и Eu³⁺+ поглощают свет и в белом свете образец приобретает зеленую окраску. Если кристалл подвергнуть ультрафиолетовому облучению, имеющему энергию hw1 электроны с уровней Sm²⁺ переходят в зону проводимости и ион Sm²⁺ превращается в Sm³⁺. Перешедший в зону проводимости электрон посредством тепловой релаксации опускается до уровня Eu³⁺, и получается ион Eu²⁺. В результате пропадает окраска кристалла - он становится бесцветным. Но если теперь осветить этот же кристалл видимым светом с энергией hw2, соответствующей разности между энергиями уровня Eu²⁺ и зоны проводимости, переход электронов произойдет в обратном направлении и кристалл снова приобретет зеленую окраску.

Применение электрохромизма на примере ячейки с рабочим веществом WO₃. Если приложить минус поля к электроду подложки, ячейка приобретет внутреннюю окраску с интенсивностью, пропорциональной прошедшему заряду. При пропускании тока в обратном направлении окраска пропадает. Механизм изменения окраски следующий. Под действием электрического поля разлагается материал катода.