Люминисценция 2

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ
на тему:
«Люминисценция»
МІНСЬК, 2008

1. Люминисценция
Явище, при якому речовина, або поглинаючи енергію світла іонізуючого або іншого випромінювання, або під дією різних хімічних реакцій переходить у збуджений стан, а потім, повертаючись у початковий стан, випромінює отриману енергію у вигляді світла, називають люмінесценцією. Короткочасне люмінесцентне випромінювання, припиняється майже відразу з закінченням збудження, це флюоресценція, а тривале, що продовжується і після закінчення збудження, - фосфоресценція. Явища люмінесценції діляться на кілька видів, залежно від способу збудження (табл. 1).
Фотолюмінесценція - світіння речовини при опроміненні світлом. Фотолюмінесцентні матеріали це порушувані ультрафіолетовим випромінюванням з'єднання Y 2 O 3: Eu 3 + (червоне свічення) і CaWO 4: Pb (синьо-зелене свічення), робочі тіла лазерів, такі, як рубін (Al 2 O 3: Сг3 +), неодимові скло , органічні барвники, подібні родамін 6Ж, і багато інших.
Катодна люмінесценція - світіння речовини при опроміненні пучком електронів. Приклад матеріалів для катодного люмінесценції - ZnS: Cu, Al (зелене свічення), Y2O3S: Eu4 і модифікації ZnO (червоне свічення). Існують також матеріали, що світяться при бомбардуванні низькошвидкісними електронами: ZnO: Zn (зелене свічення), ZnS: Ag + In2O3 (синьо-зелене свічення) та їм подібні.
Електролюмінесценція - світіння речовини під дією електричного поля. При цьому світіння під дією сильного поля, що збільшує кінетичну енергію носіїв заряду в речовині, називають предпробной електролюмінесценції, а випромінювання світла, що порушується інжектованих носіїв за рахунок різниці їх потенційних енергій, створеної у твердому тілі, називають инжекционной люмінесценцією. Приклад матеріалів для предпробойной електролюмінесценції - ZnS: Cu, XnS: Mn, а для інжекційного - GaP: N, GAP: Zn, GaAs1-xPx, Alx Ga1-xAs
Світіння, що супроводжує хімічні реакції, що проходять в речовинах, називають хемолюмінесценціей. Приклад такого явища - світіння синього кольору, що виникає при окисленні жовтого фосфору. Порушення хімічного лазера проводиться за допомогою, наприклад, реакції між фтором і воднем.
Найчастіше енергія (частота) збуджуючого випромінювання вище енергії (частоти) свічення, і тоді люмінесценцію називають стоксовой. У протилежному випадку говорять про антистоксовой люмінесценції.
Таблиця 1. Види, механізми, матеріали та застосування люмінесценції

2.Винужденное випромінювання і посилення світла
Всі атоми і молекули, всі тверді тіла та рідини можуть випромінювати світло з характерним для кожного з них набором довжин хвиль. Причина в тому, що енергія електронів у атомі, коливальна і обертальна енергія молекул, енергія електронних рівнів в твердому тілі може приймати лише певні дискретні набори значень, характерні для кожного конкретного виду атомів, молекул і твердих тіл. І коли електрон з енергією E 2 переходить на рівень з енергією Е 1 випускається квант світла з довжиною хвилі λ, назад пропорційної різниці цих енергій (E 2 - Е 1 = hv, де h - постійна Планка, v = 1 / λ).
Випромінювання світла може відбуватися двома способами. Перший спосіб зображений на рис. 2а. Коли електрони в атомі, що знаходилися на енергетичному рівні E 2, без стороннього впливу переходять на більш низький енергетичний рівень E 1, важко зітхнувши світловий квант, це спонтанне випромінювання. Якщо поруч знаходиться атом, здатний випромінювати світло з довжиною хвилі, що дорівнює λ, або дуже близькою до неї, то при поглинанні цим атомом світла з вказаною довжиною хвилі електрон переходить з рівня E 1 на рівень E 2. Таке явище називають резонансним поглинанням (рис. 2б). Другий спосіб: електрони перебувають на рівні E 2 і атом піддається впливу світла з довжиною хвилі, відповідної резонансній поглинання. У цьому випадку атом випромінює світло, по довжині хвилі і фазі повністю відповідний впливу (рис. 2в). Таке явище називають вимушеним (індукованим) випромінюванням.

Рис. 2. Спонтанне випромінювання (а), резонансне поглинання (б)
і вимушене випромінювання (в) світла
Вважають, що причини вимушеного випромінювання такі. При відсутності світла хвильова функція електрона (квадрат її амплітуди висловлює ймовірність перебування електрона на даному енергетичному рівні) може бути або функцією стану E 1 або функцією стану E 2 (рис. 3а), причому обидві ці хвильові функції взаємно незалежні. Під дією електромагнітного поля світла розподіл ймовірності змінюється. Виникає суперпозиція станів, описувана лінійної комбінацією зазначених вище хвильових функцій. Інакше кажучи, виникає зміщення зарядів вздовж вектора напруженості електричного поля падаючого світла, причому заряди коливаються біля положення рівноваги з тією ж фазою і частотою, що і світлова хвиля. Атом стає диполем, що випромінюють світло з частотою і фазою падаючого світла.
Якщо зібрати N вільних атомів, то отримаємо N електронів і 2N енергетичних рівнів. Коли ця система знаходиться в тепловій рівновазі, то число електронів n 1 на рівнях з енергією E 1 більше, ніж число електронів n 2 на рівнях з енергією E 2. І хоча така система в змозі випромінювати світло з довжиною хвилі λ, проте резонансне поглинання переважає і спонтанне випромінювання припиниться. Але якщо будь-яким способом зробити n 2 більше, ніж n 1 (такий розподіл електронів називають інверсним, і так як, за визначенням абсолютної температури, цей стан можливо тільки при температурі нижче абсолютного нуля, його називають станом з негативною температурою), то вимушене випромінювання буде переважати над резонансним поглинанням (рис. 4). Таким чином, падаюче світло може супроводжуватися вимушеним випромінюванням з тією ж фазою і довжиною хвилі, але інтенсивністю у багато разів вище. Це і є посилення світла. Підвищення інтенсивності на одиницю довжини робочого тіла, виражене у відсотках, називають коефіцієнтом підсилення. Світло можна посилювати за допомогою неодимового скла та подібних йому матеріалів.
Лазерна генерація - це посилення вимушеного випромінювання з використанням оптичного резонатора.
3. Синхронне орбітальне випромінювання
При викривленні траєкторії в магнітному полі прискорювачів кільцевого типу, наприклад синхротрона, електрони випромінюють електромагнітні хвилі, звані синхротронним орбітальним випромінюванням В даний час часто використовують терміни синхротронне випромінювання і синхротронне світіння.
На рис. 7 приведена схема виникнення синхронного випромінювання в пристрої кільцевого типу. Електрони, вже набрали необхідну швидкість в лінійному прискорювачі, влітають в кільце з поворотними електромагнітами і рухаються в ньому. У тих місцях, де магнітне поле викривляє траєкторію електронів, ставляться вихідні вікна для випромінювання. Отримане випромінювання використовують для різних цілей. Такі споруди є в Японії: в Інституті ділення атомного ядра Токійського університету (0,4 ГеВ), в Інституті поділу та синтезу атомних ядер (0,6 ГеВ) і в інституті фізики високих енергій (2,5 ГеВ).
Синхротронне випромінювання може займати будь-яку область в широкому спектрі довжин хвиль - від інфрачервоного, видимого і ультрафіолетового до рентгенів.
4. Хромізм
Хромізмом називають оборотні зміни кольору речовини під дією електричного поля, при опроміненні світлом або пучком електронів. Якщо колір змінюється під дією ультрафіолетових променів і стає колишнім під дією видимого світла - це фотохромізм. Якщо колір змінюється при опроміненні пучком електронів - це катодний хромізм, а під дією електричного поля - електрохромізм.
Фотохромні матеріали - це, наприклад, хлориди лугів (КС1 і ін), фториди типу СаF 2 з присадками рідкоземельних елементів або такі речовини, як SrTiO 3, CaTiO 3, TiO 2, з присадками металів перехідних груп, а також деякі органічні речовини. Електрохромние матеріали серед неорганіки - хлориди лугів, оксиди перехідних металів типу WO 3 та MoO 3, а серед органіки - біологічні матеріали та їх похідні, а також імідазол, діфталоціаніни рідкоземельних елементів.
Розглянемо для прикладу механізм фотохромного зміни забарвлення в кристалі СаF 2: Sm, Eu. Як показано на рис. 5, атоми Sm і Eu мають рівні збудження, різні по енергії іонізації. Коли кристал знаходиться в стані теплової рівноваги, рівні Sm 2 + та Eu 3 + + поглинають світло і в білому світі зразок набуває зелене забарвлення. Якщо кристал піддати ультрафіолетовому опроміненню, що має енергію hw1 електрони з рівнів Sm 2 + переходять в зону провідності та іон Sm 2 + перетворюється на Sm 3 +. Перейшов в зону провідності електрон допомогою теплової релаксації опускається до рівня Eu 3 +, і виходить іон Eu 2 +. У результаті пропадає забарвлення кристала - він стає безбарвним. Але якщо тепер висвітлити цей же кристал видимим світлом з енергією hw2, відповідної різниці між енергіями рівня Eu 2 + і зони провідності, перехід електронів відбудеться у зворотному напрямку і кристал знову придбає зелене забарвлення.
Застосування електрохромізма на прикладі комірки з робочою речовиною WO 3. Якщо прикласти мінус поля до електрода підкладки, осередок придбає внутрішню забарвлення з інтенсивністю, пропорційної пройшов заряду. При пропущенні струму в зворотному напрямку забарвлення пропадає. Механізм зміни забарвлення наступний. Під дією електричного поля розкладається матеріал катода.
Електрони инжектируются полем у шар WO 3, що примикає до електроліту, і відновлюють іони Н +, що утворюють на цьому шарі з'єднання H x WO 3. На рис. 7 показано електрохромние осередок на основі біологічної речовини. Зміна кольору відбувається через резонанс радикалів органічних сполук (неспарених електронів), що виникають в результаті оборотних електрохімічних реакцій.
Явище фотохромізма використовують для виготовлення сонячних окулярів, що змінюють густоту забарвлення залежно від сили сонячного світла, при лазерній запису в оптичну пам'ять, в покажчиках на фотохромних плівках і в кольорових дисплеях.
5. Фотопровідність
Збільшення електропровідності напівпровідника або ізолятора під дією світла називають фотопровідність або внутрішнім фотоефектом. Причина збільшення електропровідності - збудження світлом носіїв у валентній зоні і зоні провідності. По механізму збудження носіїв розрізняють власну фотопровідність і невласне фотопровідність.
6. Класифікація процесів люмінесценції та їх протікання
1 люмінесценцією називається випромінювання світла тілами, надлишкове над тепловим при тій же температурі і має тривалість, що значно перевищує періоди випромінювань в оптичному діапазоні спектра. Це випромінювання може бути викликано бомбардуванням речовини електронами та іншими зарядженими частинками, пропусканням через речовину електричного струму (не-теплова дія), освітленням речовини видимим світлом, рентгенівськими та гамма променями, а також деякими хімічними реакціями в речовині.
2 На відміну від рівноважного теплового випромінювання, люмінесцентне випромінювання не має рівноважного характеру. Воно викликається порівняно невеликим числом атомів, молекул або іонів. Під дією джерела люмінесценції вони переходять в збуджений стан, і їх подальше повернення до нормального-менш збуджений стан супроводжується випусканням люмінесцентного випромінювання. Тривалість світіння обумовлена ​​тривалістю збудженого стану, яке, крім властивостей люминесцирующей речовини, залежить від навколишнього середовища. Якщо збуджений стан метастабільній, то час перебування в ньому частки може досягати 10 "4 сек, що відповідно збільшує і тривалість люмінесценції.
3 Люмінесценція, відразу припиняється після закінчення дії збудника світіння, називається флуоресценцією. Люмінесценція, що зберігається тривалий час після припинення дії збудника світіння, називається фосфоресценції.
Флуоресценція обумовлена ​​переходами атомів, молекул або іонів із збудженого стану в нормальний. Фосфоресценція обумовлена ​​наявністю метастабільних збуджених станів атомів і молекул, перехід з яких у нормальний стан ускладнений з тих чи інших причин. Перехід з метастабільного стану в нормальний можливий лише в результаті додаткового збудження, наприклад теплового. Розмежування на флуоресценцію і фосфоресценцію є досить умовним. Люмінесценція під дією світла називається фотолюмінесценції, під дією бомбардування електронами - катодолюмінесценцію, під дією електричного поля - електролюмінесценції, під дією хімічних перетворень - хемілюмінесценції. Люмінесцирующие речовини називаються люмінофорами.
4 Залежить від характеру елементарних процесів, що призводять до люмінесцентного випромінювання, розрізняють спонтанні, вимушені і рекомбінаційні процеси люмінесценції, а також резонансну флуоресценцію. Резонансна флуоресценція спостерігається в парах атомів і полягає в спонтанному висвічуванні з того ж енергетичного рівня, на якому опинився випромінює атом при поглинанні енергії від джерела люмінесценції. При порушенні резонансної флуоресценції світлом має місце резонансне випромінювання, що переходить у резонансне розсіювання при збільшенні щільності пари. Спонтанна люмінесценція полягає в тому, що під дією джерела люмінесценції спочатку відбувається збудження атомів (молекул або іонів) на проміжні збуджені енергетичні рівні. Далі з цих рівнів відбуваються випромінювальні, а частіше безізлучательние переходи на рівні, з яких випромінюється люмінесцентне світіння. Такий вид люмінесценції спостерігається у складних молекул в парах і розчинах, у домішкових центрів в твердих тілах. Спостерігається також при переходах з екситонних станів.
Вимушена (метастабіл'ная) люмінесценція характерна тим, що під дією джерела люмінесценції відбувається перехід на метастабільний рівень, а потім слід перехід на рівень люмінесцентного випромінювання. Прикладом є фосфоресценція органічних речовин. Рекомбінаційних люмінесценція представляє собою рекомбінаційні випромінювання, яке виникає при возз'єднанні тих часток, які були розділені при поглинанні енергії від джерела люмінесценції (в газах - радикали або іони, в кристалах - електрони і дірки).
Рекомбінаційних люмінесценція може відбуватися на дефектних або домішкових центрах (центри люмінесценції), коли дірки захоплюються на основний рівень центру, а електрони - на його збуджений рівень.
5 При електронному порушення люмінесценції енергія бомбардують електронів передається електронам атомів (або молекул, іонів) і переводить їх у збуджений стан. Передача енергії можлива лише за умови, що кінетична енергія бомбардирующие електрона
де Ея і Е'- повна енергія атома (молекули, іона) відповідно в нормальному і найближчому до нього збудженому станах. Атом (молекула, іон) повертається із збудженого стану в нормальний, випустивши квант світла (фотон) частоти v:

При достатніх енергіях збудження повернення атома (молекули, іона) з порушеної в нормальний стан може відбуватися в кілька етапів через все менш збуджені стани. Цьому відповідає випускання декількох фотонів різних частот, причому сумарна їх енергія дорівнює енергії початкового збудження.
6 Фотолюмінесценція збуджується світлом видимою або ультрафіолетової області спектра. Для складних люмінесцирующих речовин (складні молекули, конденсовані середовища) спектральний склад фотолюмінесценції не залежить від довжини хвилі світла, що викликає люмінесценцію, і підпорядковується правилу Стокса.
Спостерігаються лінійчаті, смугасті й суцільні спектри фотолюмінесценції. Її характер істотно залежить від агрегатного стану речовини. У ряду кристалофосфорів зі збільшенням частоти збуджуючого світла квантовий вихід зростає за умови , Де - Ширина забороненої зони (розмноження фотонів при фотолюмінесценції).
7 Електролюмінесценція в газах викликається електричним розрядом, в якому енергія збудження повідомляється молекулам газу механізмом електронного або іонного удару. Збуджений стан при електролюмінесценції завжди викликається проходженням будь-якого струму і, таким чином, пов'язано з наявністю електричного поля. Електролюмінесценція у твердих тілах спостерігається, зокрема, на pn переході в напівпровідниках.
8 ° Хемілюмінесценція супроводжує деякі екзотермічні хімічні реакції. Хімічні перетворення в речовині супроводжуються перебудовою зовнішніх електронних оболонок атомів. Випромінювання світла призводить до утворення хімічної сполуки з більш стійкою в даному оточенні і за даних умов електронною конфігурацією. Хемілюмінесценція часто супроводжує процеси окислення з утворенням більш стійких продуктів згоряння.
Світіння при хемілюмінесценції викликається молекулами (атомами, іонами) продуктів реакції в збуджених електронних, коливальних і обертальних станах. Прикладами хемілюмінесценції є світіння високотемпературних і низькотемпературних пламен, світіння при рекомбінації перекисних радикалів в ланцюговому окисненні рідких вуглеводнів.
7. Закономірності люмінесценції
1 ° Правило Стокса: довжина хвилі фотолюмінесценції, як правило, більше, ніж довжина хвилі збуджуючого світла. У більш загальному формулюванні: максимум спектру люмінесценції зміщений у довгохвильову сторону від максимуму спектра поглинання. З квантової точки зору правило Стокса означає, що енергія Ну кванта збуджуючого світла частково витрачається на неоптичні процеси:
тобто або
де W - енергія, витрачена на різні процеси, крім фотолюмінесценції.
2 ° У деяких випадках фотолюмінесцентні випромінювання має у своєму спектрі довжини хвиль, менші довжини хвилі збуджуючого світла (антистоксовой випромінювання). Це явище пояснюється тим, що до енергії збуджуючого фотона додається енергія теплового руху атомів, молекул або іонів люмінофора:

де а - коефіцієнт, що залежить від природи люмінофора, до - постійна Больцмана, Т - абсолютна температура люмінофора. Антистоксовой випромінювання виявляється все виразніше у міру підвищення температури люмінофора.
3 ° Відношення енергії люмінесценції до енергії, поглинутої в стаціонарних умовах люмінофором від джерела, що порушує люмінесценцію, називається енергетичним виходом люмінесценції.
Квантовим виходом фотолюмінесценції називається відношення числа фотонів люмінесцентного випромінювання до числа поглинутих фотонів збуджуючого світла при фіксованій енергії останнього. Енергетичний вихід фотолюмінесценції зростає прямо пропорційно довжині хвилі λ поглинається випромінювання, а потім, досягаючи в деякому інтервалі при λ ~ λ макс максимального значення, швидко спадає до нуля при подальшому збільшенні λ (закон Вавилова). Зі збільшенням довжини хвилі збуджуючого світла зростає число фотонів з енергією hv, що містяться в даній енергії первинного випромінювання. Оскільки кожен фотон може викликати появу кванта hv Люм, то зі збільшенням довжини хвилі відбувається зростання енергетичного виходу фотолюмінесценції. Різке зменшення енергетичного виходу при λ> λ макс пояснюється тим, що енергія поглинаються фотонів стає недостатньою для порушення часток люмінофора.
Відповідно до закону Вавілова квантовий вихід фотолюмінесценції не залежить від довжини хвилі збуджуючого світла в стоксовой області (v возб> v Люм) і Різко падає в області антистоксовой випромінювання (v возб <v Люм).
Величини квантового та енергетичного виходів сильно залежать від природи люмінофора і зовнішніх умов. Це пов'язано з можливістю без випромінювальних переходів часток з порушеної в нормальний стан (гасіння люмінесценції). Основну роль у процесах гасіння грають зіткнення другого роду, у результаті яких енергія збудження переходить у внутрішню енергію теплового руху без випромінювання. Має місце також різке зменшення інтенсивності флуоресценції при надмірно великій концентрації молекул люминесцирующей речовини (концентраційне гасіння). У цьому випадку з-за сильної зв'язку між частинками неможливе утворення центрів люмінесценції.
4 ° Інтенсивність світіння для спонтанної і метастабільній люмінесценції змінюється з плином часу за експоненціальним законом:

де I t - інтенсивність свічення в момент часу t, I 0 - інтенсивність свічення в момент припинення збудження люмінесценції, r - середня тривалість збудженого стану атомів або молекул люмінофора. Величина r має звичайно порядок 10 -9 - 10 -8 сек. У відсутність гасійною процесів r слабо залежить від умов і визначається в основному внутрішньомолекулярними процесами.
5 ° Інтенсивність рекомбінаційну люмінесцентного світіння змінюється з часом по гіперболічному закону:

де а і n - постійні;
величина а лежить в межах від часток сек -1 до багатьох тисяч сек -1; , Де I 0 - інтенсивність рекомбинационной люмінесценції в момент її порушення; n укладено в межах від 1 до 2.

ЛІТЕРАТУРА
1. Мірошников М.М. Теоретичні основи оптико-електронних приладів: навчальний посібник для приладобудівних вузів. - 2-е видання, перероб. і доп. -Спб.: Машинобудування, 2003 - 696 с.
2. Порфирьев Л.Ф. Теорія оптико-електронних приладів і систем: навчальний посібник. - Спб.: Машинобудування, 2003 - 272 с.
3. Кноль М., Ейхмейер І. ​​Технічна електроніка, т. 1. Фізичні основи електроніки. Вакуумна техніка. -М.: Енергія, 2001.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Комунікації, зв'язок, цифрові прилади і радіоелектроніка | Реферат
45.3кб. | скачати


Схожі роботи:
Люминисценция
© Усі права захищені
написати до нас