Электролюминесценцией называют люминесценцию вещества, возбуждаемую электрическим полем. Это явление наблюдается в газах и твердых телах, когда атомы или молекулы переходят в возбужденное состояние под действием передаваемой им электрической энергии.

Электролюминесценция газов исследуется с середины прошлого века и используется в газоразрядных источниках света. Электролюминесценция твердых тел была обнаружена в начале века Г.Раундом и О.В.Лосевым при исследовании контактных явлений на карбиде кремния и в 30-х годах Ж.Дестрио в изолированных кристаллах сульфида цинка при изучении эффекта Гуддена-Поля. В последующие годы проводились исследования процессов возбуждения люминесценции электрическим полем в различных материалах и композиционных структурах. Эти эффекты были реализованы в промышленных приборах в 60-х и 70-х годах. Данные технические достижения в создании электролюминесцентных источников излучения были обусловлены развитием квантовой теории твердых тел и успехами полупроводниковой технологии.

Электролюминесценция отличается от других видов люминесценции прежде всего способом подведения энергии к веществу. В наиболее определенных случаях энергия, необходимая для возникновения излучения, непосредственно поставляется электрическим полем, которое изменяет потенциальную или кинетическую энергию электронов в твердом теле. При изучении электролюминесценции особое внимание уделяется процессам передачи электрической энергии, т.е. механизму возбуждения или ионизации центров свечения. При возвращении возбужденных центров в основное состояние с излучением света достаточно учитывать влияние электрического поля на условия рекомбинации при определенном строении этих центров, хотя в общем случае поле может влиять и на энергетические характеристики как этих центров, так и основного вещества.

Большинство электролюминесцентных веществ относится к кри-сталлофосфорам, в которых процессы возбуждения и свечения могут затрагивать не только отдельные центры свечения (атомы примеси или другие точечные дефекты и их комплексы), но и кристалл в целом.

Существует несколько типов процессов, приводящих к появлению свечения твердых тел, находящихся в электрическом поле. Во всех случаях поле должно способствовать появлению либо непосредственно возбужденных центров свечения, либо дополнительных, неравновесных носителей в зонах разрешенных энергий, которые обуславливают возникновение излучения при их последующей рекомбинации.

К особенностям электролюминесценции следует отнести то, что люминесцирующие образцы в большинстве случаев являются неоднородными по электрическим и оптическим свойствам даже до приложения электрического поля. Действие поля осуществляется в областях его повышенной напряженности, т.е. в различного рода потенциальных барьерах. Если же кристалл был однородным до приложения электрического поля, то воздействие поля также приводит к изменению электрических свойств различных областей кристалла.

Наличие последовательно включенных областей кристалла с большой и малой напряженностью электрического поля неизбежно приводит к их взаимодействию. Распределение напряжения по образцу может зависеть как от начальных свойств этих областей при данной температуре, так и от интенсивности ионизации в области сильного поля. Характеристики люминесцентных кристаллов, изолированных от электродов, особенно сложны, так как, кроме усложнения электрической схемы, в этом случае добавляется влияние поляризации образца, которая приводит к неравномерному во времени возбуждению кристалла.

Полем управляются как процессы возбуждения, так и процессы рекомбинации, причем в случае изолированных кристаллов эти процессы могут быть разделены во времени (после генерации носителей следует их разведение и обратное их движение происходит при изменении направления поля). Эти процессы способны оказывать значительное влияние на мгновенную и среднюю по времени яркость излучения, а также на выход электролюминесценции.

Дополнительные неравновесные носители, которые могут обуславливать возникновение излучения, могут быть получены в кристаллах следующими двумя способами: под действием сильного электрического поля в самом кристалле или в результате пространственного перераспределения под влиянием поля носителей, уже имеющихся в твердом теле. Эти основные способы возбуждения электролюмшесценции осуществляются в р-п переходах, включенных в прямом и обратном направлениях.

Когда переход включен в прямом направлении, происходит инжек-ция электронов и дырок в прилегающие области с противоположным типом проводимости. Внешнее поле уменьшает поле перехода и ин-жекция протекает в условиях слабого электрического поля. Внешнее электрическое поле увеличивает потенциальную энергию носителей заряда разного знака и создает условия для их сближения и рекомбинации. Электролюминесценция данного типа называется инжекцион-ной, она используется в светодиодах.

Когда переход включен в обратном направлении, то при достаточно большой напряженности электрического поля - 105-106 В/см в области перехода происходит увеличение обратного тока, связанное с ростом концентрации под действием электрического пробоя вследствие туннельных или ударных процессов и возникает излучение, связанное с рекомбинацией и другими процессами.

Увеличение кинетической энергии электронов происходит при ударных процессах в сильном электрическом поле, эти ускоренные электроны способны создавать электронно-дырочные пары или же непосредственно ионизировать или возбуждать центры свечения. Электролюминесценция такого типа называется предпробойной. Предпро-бойная электролюминесценция в сильном поле может осуществляться не только в р-п переходах, но и в гетеропереходах, поверхностных барьерах, поликристаллических зернах и тонких пленках люминофоров. При этом кристалл может быть изолирован от одного или обоих электродов, а возбуждающее напряжение может быть переменным. Поскольку при возбуждении электролюминесценции переменным напряжением носители заряда периодически подводятся к поверхности кристаллов, роль поверхностных ловушек и центров рекомбинации увеличивается по сравнению с фотолюминесценцией. Состояние поверхности люминофора может существенно влиять на величину электролюминесценции также и потому, что области концентрации внешнего поля и возбуждения располагаются в ряде случаев непосредственно у поверхности кристаллов. Предпробойная электролюминесценция используется в плоских индикаторах.

Другие типы электролюминесценции твердых тел пока не нашли широкого применения из-за низкого энергетического выхода.

Явление предпробойной электролюминесценции в настоящее время применяется в пленочных источниках света: порошковых и тонкопленочных, возбуждаемых постоянным и переменным напряжением. Первые промышленные образцы электролюминесцентных излучателей на основе порошкообразных люминофоров были получены в конце 50-х годов. Они применяются до настоящего времени в источниках света различного назначения в качестве электролюминесцентных панелей: светильники, световые указатели, цифробуквенные индикаторы, мнемосхемы и др.

Порошковый светоголучающий элемент представляет собой многослойную структуру на прозрачном основании: стеклянной пластине или полимерной пленке. Источник излучения состоит из прозрачного электрода на основании, люминесцентного слоя и второго электрода, непрозрачного. Излучение выходит через прозрачный электрод и основание.

Люминесцентный слой состоит из порошкообразного люминофора с органическим или неорганическим связующим. Толщина люминесцентного слоя составляет 30-100 мкм, содержание связующего для излучателей, возбуждаемых переменным напряжением, составляет 30-50 процентов, а для излучателей, возбуждаемых постоянным полем 5-25 процентов. Эти излучатели отличаются также размером зёрен люминесцентных порошкообразных материалов: люминофоры, возбуждаемые переменным напряжением, имеют среднюю величину частиц от 1 до 10 мкм, а люминофоры для постоянного напряжения более мелкозернистые - от 0,2 до 2 мкм.

В основном в качестве люминофоров используются порошки сульфида цинка и кадмия и сульфоселенидные соединения. В последние годы разработаны люминесцентные материалы на основе сульфидов кальция и стронция. В качестве активаторов используются медь, марганец, галлий, серебро, свинец и другие вещества, которые вводятся в люминофоры в количестве от единиц до сотых долей процента. Присутствие меди в этих люминофорах является обязательным, поскольку она образует отдельную фазу (сульфид меди) на поверхности зёрен при прокаливании шихты. Для образования отдельной фазы медь вводят в количествах, превышающих ее предел растворимости в материале люминофора Контакт этих фаз приводит к появлению на поверхности зёрен люминофора гетеропереходов, обуславливающих концентрацию электрического поля в поверхностных барьерах. Легирование медью приводит к увеличению яркости излучения и повышению эффективности электролюминесценции. Цвет свечения люминофоров определяется типом и количеством вводимой примеси, промышленностью выпускаются люминесцентные материалы, излучающие во всем видимом диапазоне. Наиболее высокие значения яркости получены для люминофоров на основе сульфида цинка, легированного марганцем, с желтым цветом свечения. Перспективными считаются люминофоры на основе сульфидов щелочноземельных металлов, легированных галогенидами редкоземельных элементов.

В качестве связующего в люминесцентном слое используются диэлектрические лаки на основе эпоксидных смол, цианэтилцеллюлозы, цианэтилового эфира поливинилового спирта и другие, а также стек-лоэмалевое связующее.

Светотехнические характеристики излучателей зависят от конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов. К конструктивно-технологическим относят тип люминофора, размер зёрен порошка, тип связующего, толщину и содержание люминесцентного слоя и др. К эксплуатационным факторам относят амплитуду и частоту возбуждающего напряжения, температуру, влажность среды и др. Обычно возбуждение электролюминесценции в порошковых излучателях производится напряжением величиной 50-300 В постоянного значения или изменяющимся с частотой 50-5000 Гц. Яркость излучения электролюминесцентных панелей составляет от 5 до 150 кд/м2. Отечественной промышленностью выпускаются электролюминесцентные индикаторы типа ИТЭЛ, ИЭМ, МЭЛ и другие, используемые в качестве источников света, цифровых индикаторов, мнемонических и графических малоформатных экранов.

К недостаткам порошковых электролюминесцентных индикаторов относят ограниченные значения яркости и небольшой срок службы, который во многом обусловлен диффузией меди и других примесей. Несмотря на обширные исследования деградационных явлений в порошкообразных светоизлучающих структурах долговечность приборов не превышает нескольких тысяч часов.

Исследования тонкопленочных источников излучения были начаты несколько позже, чем изучение порошковых люминофоров. Долгое время пленки рассматривались в основном как удобный объект для исследования физики электролюминесценции. Интерес к исследованиям тонкопленочных электролюминесцентных структур резко возрос после того, как в 1974 г. исследователями фирмы «Sharp» был представлен первый тонкоплёночный плоский экран, обладающий высокими функциональными характеристиками. Успехи в технологии получения тонких пленок, а также разработка структур, в которых слой люминофора толщиной около 1 мкм расположен между двумя более тонкими слоями диэлектрика, позволили создать излучатели, возбуждаемые переменным напряжением, которые имеют более высокую яркость и срок службы по сравнению с порошковыми.

В качестве источников излучения исследовались тонкоплёночные электролюминесцентные структуры постоянного и переменного тока. К достоинствам тонкопленочных структур постоянного тока относится в первую очередь низкое управляющее напряжение - 3-20 В. Светоиз-лучающие элементы получаются обычно нанесением люминесцентного слоя сульфида или селенида цинка на полупроводниковую подлож-ку(кремний, германий, арсенид галлия и др.). Использование физических характеристик границы раздела полупроводник-люминофор является одним из методов обеспечения носителей большой энергией. Разница работ выхода электронов здесь применяется для инжекции горячих носителей в слой люминофора, где они возбуждают электролюминесценцию. Основным механизмом инжекции является туннели-рование электронов сквозь энергетический барьер в зоне проводимоста. Среди методов контроля инжекции носителей в электролюминесцентный слой, которые были опробованы для управления светоиздумающими устройствами постоянного тока, следует назвать использование МДП-диодов с отрицательным смещением, гетеропереходов и комбинаций резистивных слоев. Однако ни один из этих подходов пока не привел к созданию жизнеспособной технологии тонкопленочных излучателей постоянного тока, не удалось решить проблему управления устройств. К тому же эти излучающие элементы обладают сравнительно невысокой яркостью и светоотдачей. Тонкопленочные электролюминесцентные источники излучения переменного тока имеют более высокие функциональные характеристики вследствие целого ряда физических особенностей.

Общие явления электролюминесценции в тонких пленках не отличаются принципиально от аналогичных явлений в порошковых люминофорах. Однако по сравнению с возбуждаемыми переменным напряжением порошковыми излучателями изолированные пленки люминофора обладают следующими особенностями. Из-за малой толщины пленок не требуется специальных мер для концентрации поля в узких слоях люминофора, поэтому одна из функций меди - создание в кристаллах люминесцентных материалов барьерных областей толщиной около 0,1 мкм - отпадает. Соответственно исчезают и процессы старения, связанные с диффузией меди, срок службы тонкопленочных источников излучения может превышать 20000 часов. При возбуждении люминесцентных пленок переменным напряжением эффективность электролюминесценции не превышает нескольких процентов, но яркость может быть очень высокой благодаря использованию электрических полей с более высокой напряженностью, значительных токов и более протяженных областей сильного поля. Эти излучатели имеют более высокую разрешающую способность, устойчивость к тепловым и радиационным воздействиям, пространственная однородность изображения, легкость получения полутонов, большой угол обзора, что делает их перспективными для воспроизведения цветного телевизионного изображения.

Достигнутые успехи сделали вполне реальными перспективы создания высокоэффективных, стабильных, многоцветных излучателей на

основе пленочных структур. Этим объясняется значительный интерес к изучению физических свойств тонкопленочных электролюминесцентных структур, их компонентов и технологии получения излучателей.

В результате возникновения в нём к.-л. формы электрич. разряда. Из разл. типов Э. тв. тел наиболее важны инжекционная и предпробойная. Инжекц. Э. характерна для р - n-перехода в нек-рых ПП, напр. в SiC или GaP, в пост. электрич. , включённом в пропускном направлении. В re-область инжектируются избыточные дырки, а в р-область - эл-ны (или те и другие в тонкий слой между р- и n-областями). Свечение возникает при рекомбинации эл-нов и дырок в р - n-слое.

Предпробойная Э. наблюдается, напр., в порошкообразном ZnS, активированном Си, А1 и др. и помещённом в диэлектрик между обкладками конденсатора, на к-рый подаётся перем. звук. частоты. При макс. напряжении на обкладках конденсатора в люминофоре происходят , близкие к электрич. пробою: на краях частичек люминофора концентрируется сильное электрич. поле, к-рое ускоряет свободные эл-ны. Эти эл-ны могут ионизовать атомы; образовавшиеся дырки захватываются центрами люминесценции, на к-рых рекомбинируют эл-ны при изменении направления поля.

Э. газов - свечение газового разряда - используется в газоразрядных трубках. Э. тв. тел применяется для индикаторных устройств (электролюминесцентные знаковые индикаторы, мнемосхемы, изображений и т. д.).

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .

ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ

- люминесценция, возбуждаемая электрич. полем. Наблюдается в газах и твёрдых телах. При Э. атомы (молекулы) вещества переходят в возбуждённое состояние в результате возникновения в нём к.-л. формы электрич. разряда. Из разл. типов Э. тв. тел наиб. важны и н ж е к ц и о н н а я и п р е д п р о б о й н а я. Инжекционная Э. характерна для р - n -перехода в нек-рых полупроводниках, напр. в SiC или GaP, в пост. электрич. поле, включённом в пропускном направлении. В n -область инжектируются избыточные дырки, а в p -область - электроны (или те и другие в тонкий слой между р- и n -областями). Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в р - n -слое.

Предпробойная Э. наблюдается, напр., в порошкообразном ZnS, активированном Сu, Аl, и др. веществах, помещённых в диэлектрик между обкладками конденсатора, на к-рый подаётся перем. напряжение звуковой частоты. При макс. напряжении на обкладках конденсатора на краях частичек люминофора концентрируется сильное электрич. поле, к-рое ускоряет свободные электроны, и происходят процессы, близкие к электрич. пробою. Электроны ионизуют атомы; образовавшиеся дырки захватываются центрами свечения, на к-рых рекомбинируют электроны при изменении направления поля.

Подобный механизм реализуется и в многослойных тонкоплёночных системах, где светящаяся плёнка толщиной ок. 1 мкм изолирована от обкладок конденсатора ещё более тонкими слоями диэлектрика. Особенностью таких систем является возможность создания в слое люминофора очень высокой напряжённости электрич. поля (~ 10 8 В/м), благодаря чему удаётся получить по неск. квантов света от каждого прошедшего сквозь слой электрона. Др. особенность- возможность получения бистабильного режима, в к-ром стационарная свечения зависит от того, достигнута ли данная амплитуда напряжения путём его повышения или понижения.

Возможны и др. механизмы предпробойной Э.- прямое центров свечения электронным ударом, а также внутризонная Э., в р - n -переходах, включённых в запорном направлении. При внутризонной Э. свободные электроны (или дырки) испускают при переходах в пределах зоны проводимости (валентной зоны), без участия центров свечения. Такая Э. отличается крайне широким спектром, охватывающим всю область прозрачности полупроводника и даже заходящим в область собств. поглощения.

Э. газов (свечение газового разряда) используется в газоразрядных трубках. Э. тв. тел применяется для индикаторных устройств (электролюминесцентные, знаковые индикаторы, мнемосхемы, преобразователи изображений и т.

Применяемые в настоящее системы с предпробойной Э. изготовляются гл. обр. на основе ZnS. Они подвержены деградации (постепенному снижению яркости во время работы) вследствие ионных процессов под действием сильного электрич. поля. Значительно более стойки системы на основе GaN, но технология их изготовления ещё недостаточно разработана. Разрабатываются также системы на основе органич. соединений с двойными связями.

Лит.: Прикладная электролюминесценция, М., 1974; Верещагин И. К., Электролюминесценция кристаллов, М., 1974; Верев-кин Ю. Н., Деградационные процессы в электролюминесценции твердых тел, Л., 1983. М. В. Фок.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Синонимы :

Смотреть что такое "ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ" в других словарях:

Электролюминесценция … Орфографический словарь-справочник

электролюминесценция - Явление свечения тел под воздействием электрического поля. [ГОСТ 13820 77] электролюминесценция Люминесценция, возникающая под действием электрического поля. [ГОСТ 25066 91] электролюминесценция Люминесценция, возбуждаемая электрическим полем.… … Справочник технического переводчика

Свечение газов при низких температурах вследствие прохождения по ним электрических разрядов. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. электролюминесценция (см. электро...) физ. люминесценция под действием… … Словарь иностранных слов русского языка

ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ, свечение некоторых веществ, прежде всего, фосфора, при помещении их в поле переменного тока. У ФЛУОРЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП часть свечения вызвана электролюминесценцией, а часть ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЕЙ … Научно-технический энциклопедический словарь

Сущ., кол во синонимов: 3 люминесценция (13) свечение (17) электросвечение … Словарь синонимов

И; ж. Люминесценция, возникающая под действием электрического поля. ◁ Электролюминесцентный, ая, ое. Э ая лампа. Э. материал. * * * ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ, люминесценция (см. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ), возбуждаемая электрическим полем.… … Энциклопедический словарь

Электролюминесцентный ночник середины прошлого века Электролюминесценция люминесценция, возбуждаемая электрическим полем. Наблюдается в веществах полупроводниках и кристаллофосфорах, атомы (или молекулы) которых переходят в возбуждённое… … Википедия

Люминесценция, возбуждаемая электрическим полем. Наблюдается в газах и кристаллофосфорах (См. Кристаллофосфоры), атомы (или молекулы) которых переходят в возбуждённое состояние при возникновении какой либо формы электрического разряда. Э … Большая советская энциклопедия

электролюминесценция - Electroluminescence Электролюминесценция (ЭЛ) Люминесценция, при которой светящееся тело получает энергию непосредственно из электрического поля. В электротехнике – испускание видимого света p n переходом, включенном в прямом направлении, под … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.

Министерство высшего образования Украины

Национальный технический университет Украины

«Киевский политехнический институт»

Реферат на тему :

Люминесценция

электролюминесценция

Выполнил: студент ІI-го курса

ПСФ ПМ-91 Милокостый А. А.

Проверил: Никитин А. К.

План:

1. Введение­­­­­­­­__________________________________3

2. Классификация явлений люминесценции_______4

3. Виды люминесценции________________________5

4. Физические характеристики люминесценции___7

5. Кинетика люминесценции____________________7

6. Люминесцирующие вещества__________________9

7. Методы исследования_______________________11

8. Люминофоры________________________________11

9. Список использованной литературы__________14

Введение

Люминесценция - излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела при данной температуре и имеющее длительность, значительно превышающую период световых волн. Первая часть этого определения предложена Э. Видоманом и отделяет люминесценцию от равновесного теплового излучения. Вторая часть - признак длительности - введена С. И. Вавиловым для того, чтобы отделить люминесценцию от других явлений вторичного свечения - отражения и рассеяния светла, а также от вынужденного испуска­ния, тормозного излучения заряженных частиц.

Для возникновения люминесценции требуется, следовательно, какой-либо источник энергии, отличный от равновесной внутренней энергии данного тела, соответствующий его температуре. Для поддержания стационарной люминесценции этот источник должен быть внешним. Нестационарная люминесценция может происходить во время перехода тела в равно­весное состояние после предварительного возбуждения (за­тухание люминесценции). Как следует из самого определения, понятие люминесценции относится не к отдельным излучающим атомам или молекулам, а и к их совокупностям – телам. Элементарные акты возбуждения молекул и испуска­ния света могут быть одинаковыми в случае теплового излучения и люминесценции. Различие состоит лишь в относительном числе тех или иных энергетических переходов. Из определения люминесценции следует, также, что это понятие применимо только к телам имеющим определенную температуру. В случае сильного отклонения от теплового равновесия говорить о температурном равновесии или люминесценции не имеет смысла.

Признак длительности имеет большое практическое значение и дает возможность отличить люминесценцию от других неравновесных процессов. В частности он сыграл важную роль в истории открытия явления Вавилова-Черенкова, позволив установить, что наблюдавшееся свечения нельзя отнести к люминесценции. Вопрос о теоретическом обосновании критерия Вавилова рассматривался Б.И. Степановым и Б. А. Афанасевичем. Согласно им, для классификации вторичного свечения большое значение имеет существование или отсутствие промежуточных процессов между поглощением энергии, возбуждающей люминесценцию, и излучением вторичного свечения (например, переходов между электронными уровнями, изменений колебательной энергии и т.п.). Такие промежуточные процессы характерны для люминесценции (в частности они имеют место при неоптическом возбуждении люминесценции).

Классификация явлений люминесценции

По типу возбуждения различают: ионолюминесценцию, кандолюминесценцию, катодолюминесценцию, радио-люминесценцию,рентгенолюминесценцию,электролюминесценциюфотолюминесценцию,хемилюминесценцию,триболюминесценцию. По длительности люминесценции, разли­чают флуоресценцию, (короткое свечение) и фосфоресценцию (длительное свечение). Теперь эти поня­тия сохранили только условное и качественное значение, т. к. нельзя указать какие-либо границы между ними. Иногда под флуоресценцией понимают спонтанную люминесценцию, а под фосфоресценцией –вынужденную люминесценцию (см. ниже).

Наиболее рациональная классификация явлений люминесценции, основанная на характеристиках механизма элемен­тарных процессов, была впервые предложена Вавиловым, различавшим спонтанные, вынужденные и рекомбинационные процессы люминесценции. В дальнейшем была выделена также резистивная люминесценция.

Виды люминесценции

1) Резонансная люминесценция (чаще называется резонансной флуоресценцией) наблюдается в атомных парах (ртути, натрия и др.) у некоторых простых молекул и, иногда, в более сложных системах. Излучение имеет спонтанный характер и происходит с того же энергетического уровня, которые достигаются при поглощении энергии возбуждающего света. При повышении плотности паров резонансная люминесценция переходит в резонансное рассеяние.

Этот вид свечения по всех случаях не должен относиться к люминесценции и должен называться резонансным рассеянием.

2) Спонтанная люминесценция включает переход (излучательный или, чаще, безызлучательный) на энергетический уровень, с которого происходит излучение. Этот вид люминесценции характерен для сложных моле­кул в парах и растворах, и для примесных центров в твердых телах. Особый случай представляет люминесценция, обусловленная переходами из экситонных состояний.

3) Метастабильная или вынужденная люминесценция характеризуется происходя­щим после поглощения энергии переходом на метастабильный уровень и последующим переходом на уровень излучения в результате сообщения колебательной энергии (за счет внутренней энергии тела) или дополнительного кванта света, например инфракрасного. Пример этого вида люминесценции - фосфоресценция органических веществ, при которой метастабилен нижний триплетный уровень органических молекул. При этом, во многих случаях наблюдается две полосы длительности люминесценции: длинноволновая, соответствующая спонтанному переходу T-S 0 и затем (медленная флюоресценция или β-полоса), и коротковолновая, совпадающая по спектру с флюоресценцией и соответствующая вынужденному переходу T-S 1 и затем спонтанному переходу s 1 -s 0 (фосфоресценция или α-полоса).

4) Рекомбинационная люминесценция происходит в результате воссоединения частиц, разделившихся при поглощении возбуждающей энергии. В газах может происходить рекомбинация радикалов или ионов, в результате которой возникает молекула в возбужден­ном состоянии. Последующий переход в основное состояние может сопровождаться люминесценцией. В твердых кристаллических телах рекомбинационная люминесценция возникает в результате появления неравновесных носителей заряда (электронов или дырок) под действием какого-либо источника энергии. Различают рекомбинационную люминесценцию при переходах «зона – зона» и люминесценцию дефектных или примес­ных центров (т. н. центров люминесценции ). Во всех случаях процесс люминесценции может включать захват носителей на ловушках с их последующим освобождением тепловым или оптическим путем, т. е. включать элементарный процесс, характерный для метастабильной люминесценции. В случае люминесценции центров, рекомбинация состоит в захвате дырок на основной уровень центра и электронов на возбуждённый уровень. Излучение происходит в результате перехода центра из возбуждённого состояния в основное. Рекомбинационная люминесценция наблюдается в кристаллофосфорах и типичных полупроводниках, например германии и кремнии. Независимо от механизма элементарного процесса, ведущего к люминесценции, излучение, в конечном случае, происходит при спонтанном переходе из одного энергетического состояния в другое. Если этот переход разрешённый, то имеет место дипольное излучение. В случае запрещенных переходов излучение может соответствовать как электрическому, так и магнитному диполю, электрическому квадруполю, и т.д.

Физические характеристики люминесценции

Как и всякое излу­чение, люминесценция характеризуется спектром (спектральной плотностью лучистого потока) и состоянием поляризации. Изучение спектров люминесценции и факторов, на них влияющих, составляет часть спектроскопии.

Наряду с этими общими характеристиками, имеют­ся специфичные для люминесценции. Интенсивность люминесценции сама по себе редко представляет интерес. Вместо неё вводится величина отношения излучаемой энергии к поглощаемой, называемая выходом люминесценции . В большинстве случаев выход определяется в стационарных условиях как отношение излучаемой и поглощаемой мощности. В случае фотолюминесценции вводится понятие квантового выхода и рассматривается спектр выхода, т.е. зависимость выхода от частоты возбуждающего света и спектр поляризации – зависимость степени поляризации от частоты возбуждающего света. Кроме того, поляризация люминесценции характеризуется поляризационными диаграммами, вид которых связан с ориентацией и мультипольностью элементарных излучающих и поглощающих систем.

Кинетика люминесценции , в частности вид кривой нарастания после включения возбуждения и кривой затухания люминесценции после его выключения, и зависимость кинетики от различных факторов: температуры, интенсивности воз­буждающего источника и т. п., служат важными ха­рактеристиками люминесценции. Кинетика люминесценции в сильной степени зависит от типа элементарного процесса, хотя и не определяется им однозначно. Затухание спонтанной люминесценции с квантовым выходом, близким к единице, всегда происходит по экспоненциальному закону: I(t)=I 0 exp(-l/τ), где τ характеризует среднее время жизни возбужденного состояния, т. е. равно обратной величине вероятности А спонтанного перехода в единицу времени. Однако, если квантовый выход люминесценции меньше единицы, т. е. люминесценция частично потушена, то экспоненциальный закон затухания сохраняется только в простейшем случае, когда вероятность тушения Q постоянна. В этом случае τ=1/(A+Q), а квантовый выход η=A/(A+Q), где Q- вероятность безызлучательного перехода. Однако часто Q зависит от времени, протекшего от момента возбуждения данной моле­кулы, и тогда закон затухания люминесценции становится более сложным. Кинетика вынужденной люминесценции в случае с одним метастабильным уровнем определяется суммой двух экспонент.

Люминесценция - это излучение света определенными материалами в относительно холодном состоянии. Она отличается от излучения раскаленных тел, например или угля, расплавленного железа и проволоки, нагреваемой электрическим током. Излучение люминесценции наблюдается:

• в неоновых и люминесцентных лампах, телевизорах, радарах и экранах флюороскопов;
• в органических веществах, таких как люминол или люциферин в светлячках;
• в некоторых пигментах, используемых в наружной рекламе;
• при молнии и северном сиянии.

Во всех этих явлениях световое излучение не является результатом нагревания материала выше комнатной температуры, поэтому его называют холодным светом. Практическая ценность люминесцентных материалов заключается в их способности трансформировать невидимые формы энергии в

Источники и процесс

Явление люминесценции происходит в результате поглощения материалом энергии, например, от источника ультрафиолетового или рентгеновского излучения, пучков электронов, химических реакций и т. д. Это приводит атомы вещества в возбужденное состояние. Так как оно неустойчиво, материал возвращается в свое исходное состояние, а поглощенная энергия выделяется в виде света и/или тепла. В процессе задействованы только внешние электроны. Эффективность люминесценции зависит от степени превращения энергии возбуждения в свет. Число материалов, обладающих достаточной для практического применения эффективностью, относительно небольшое.

Люминесценция и накаливание

Возбуждение люминесценции не связано с возбуждением атомов. Когда горячие материалы начинают светиться в результате накаливания, их атомы находятся в возбужденном состоянии. Хотя они вибрируют уже при комнатной температуре, этого достаточно, чтобы излучение происходило в дальней инфракрасной области спектра. С повышением температуры частота электромагнитного излучения смещается в видимую область. С другой стороны, при очень высоких температурах, которые создаются, например, в ударных трубах, столкновения атомов могут быть настолько сильными, что электроны отделяются от них и рекомбинируют, испуская свет. В этом случае люминесценция и накаливание становятся неразличимыми.

Люминесцентные пигменты и красители

Обычные пигменты и красители обладают цветом, так как они отражают ту часть спектра, которая комплементарна поглощенной. Небольшая часть энергии преобразуется в тепло, но заметного излучения не происходит. Если, однако, люминесцентный пигмент поглощает дневной свет на определенном участке спектра, он может излучать фотоны, отличающиеся от отраженных. Это происходит в результате процессов внутри молекулы красителя или пигмента, благодаря которым ультрафиолет может быть преобразован в видимый, например, синий свет. Такие методы люминесценции используются в наружной рекламе и в стиральных порошках. В последнем случае «осветлитель» остается в ткани не только для отражения белого, но и для преобразования ультрафиолетового излучения в синий цвет, компенсирующий желтизну и усиливающий белизну.

Ранние исследования

Хотя молнии, северное сияние и тусклое свечение светлячков и грибов всегда были известны человечеству, первые исследования люминесценции начались с синтетического материала, когда Винченцо Каскариоло, алхимик и сапожник из Болоньи (Италия), в 1603 г. нагрел смесь сульфата бария (в виде барита, тяжелого шпата) с углем. Порошок, полученный после охлаждения, ночью испускал голубоватое свечение, и Каскариоло заметил, что оно может быть восстановлено путем воздействия на порошок солнечного света. Вещество было названо «ляпис солярис», или солнечный камень, потому что алхимики надеялись, что оно способно превращать металлы в золото, символом которого является солнце. Послесвечение вызвало интерес многих ученых того периода, дававших материалу и другие названия, в том числе «фосфор», что означает «носитель света».

Сегодня название «фосфор» используется только для химического элемента, в то время как микрокристаллические люминесцирующие материалы называются люминофором. «Фосфор» Каскариоло, по-видимому, был сульфидом бария. Первым коммерчески доступным люминофором (1870 г.) стала «краска Бальмена» - раствор сульфида кальция. В 1866 году был описан первый стабильный люминофор из сульфида цинка - один из важнейших в современной технике.

Одно из первых научных исследований люминесценции, проявляющейся при гниении древесины или плоти и в светлячках, было выполнено в 1672 году английским ученым Робертом Бойлем, который, хотя и не знал о биохимическом происхождении этого света, тем не менее установил некоторые из основных свойств биолюминесцентных систем:

• свечение холодное;
• оно может быть подавлено такими химическими агентами, как спирт, соляная кислота и аммиак;
• излучение требует доступа к воздуху.

В 1885-1887 годах было замечено, что неочищенные экстракты, полученные из вест-индийских светлячков (огненосных щелкунов) и из моллюсков фолад, при смешивании производят свет.

Первыми эффективными хемилюминесцентными материалами были небиологические синтетические соединения, такие как люминола, открытая в 1928 году.

Хеми- и биолюминесценция

Большая часть энергии, выделяющейся в химических реакциях, особенно реакциях окисления, имеет форму тепла. В некоторых реакциях, однако, ее часть используется для возбуждения электронов до более высоких уровней, а во флуоресцентных молекулах до возникновения хемилюминесценции (ХЛ). Исследования показывают, что ХЛ является универсальным явлением, хотя интенсивность люминесценции бывает настолько мала, что требуется использование чувствительных детекторов. Есть, однако, некоторые соединения, которые демонстрируют яркую ХЛ. Наиболее известным из них является люминол, который при окислении пероксидом водорода может давать сильный синий или сине-зеленый свет. Другие сильные ХЛ-вещества - люцигенин и лофин. Несмотря на яркость их ХЛ, не все они эффективны при преобразовании химической энергии в световую, т. к. менее 1 % молекул излучают свет. В 1960-е годы было обнаружено, что сложные эфиры щавелевой кислоты, окисленные в безводных растворителях в присутствии сильно флуоресцирующих ароматических соединений, излучают яркий свет с эффективностью до 23 %.

Биолюминесценция представляет собой особый тип ХЛ, катализируемой ферментами. Выход люминесценции таких реакций может достигать 100 %, что означает, что каждая молекула реагирующего люциферина переходит в излучающее состояние. Все известные сегодня биолюминесцентные реакции катализируются реакциями окисления, протекающими в присутствии воздуха.

Термостимулированная люминесценция

Термолюминесценция означает не температурное излучение, но усиление светового излучения материалов, электроны которых возбуждены под действием тепла. Термостимулированная люминесценция наблюдается у некоторых минералов и прежде всего у кристаллофосфоров после того, как они были возбуждены светом.

Фотолюминесценция

Фотолюминесценция, которая возникает под действием электромагнитного излучения, падающего на вещество, может производиться в диапазоне от видимого света через ультрафиолетовый до рентгеновского и гамма-излучения. В люминесценции, вызванной фотонами, длина волны излучаемого света, как правило, равна или больше длины волны возбуждающего (т. е. равной или меньшей энергии). Эта разница в длине волны обусловлена ​​преобразованием поступающей энергии в колебания атомов или ионов. Иногда, при интенсивном воздействии лучом лазера, испускаемый свет может иметь более короткую длину волны.

Тот факт, что ФЛ может возбуждаться под действием ультрафиолетового излучения, был обнаружен немецким физиком Иоганном Риттером в 1801 г. Он заметил, что люминофоры ярко светятся в невидимой области за фиолетовой частью спектра, и таким образом открыл УФ-излучение. Превращение УФ в видимый свет имеет большое практическое значение.

При высоком давлении частота увеличивается. Спектры больше не состоят из одной спектральной линии 254 нм, а энергия излучения распределена по спектральным линиям, соответствующим различным электронным уровням: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 и 578 нм. Ртутные лампы высокого давления используют для освещения, так как 405-546 нм соответствуют видимому голубовато-зеленому свету, а при трансформации части излучения в красный свет с помощью люминофора в итоге получается белый.

Когда молекулы газа возбуждаются, их спектры люминесценции показывают широкие полосы; не только электроны поднимаются на уровни более высокой энергии, но одновременно возбуждаются колебательные и вращательные движения атомов в целом. Это происходит потому, что колебательные и вращательные энергии молекул составляют 10 -2 и 10 -4 от энергий переходов, которые, складываясь, образуют множество немного отличающихся длин волн, составляющих одну полосу. В более крупных молекулах есть несколько перекрывающих друг друга полос, по одной для каждого вида перехода. Излучение молекул в растворе преимущественно лентовидное, что вызвано взаимодействием относительно большого числа возбужденных молекул с молекулами растворителя. В молекулах, как и в атомах, в люминесценции участвуют внешние электроны молекулярных орбиталей.

Флуоресценция и фосфоресценция

Эти термины можно различать не только на основании длительности свечения, но и по способу его производства. Когда электрон возбуждается до синглетного состояния со сроком пребывания в нем 10 -8 с, из которого он может легко вернуться в основное, вещество излучает свою энергию в виде флуоресценции. Во время перехода спин не изменяется. Базовое и возбужденное состояния имеют подобную кратность.

Электрон, однако, можно поднять на более высокий энергетический уровень (называемый "возбужденное триплетное состояние") с обращением его спина. В квантовой механике переходы из триплетных состояний в синглетные запрещены, и, следовательно, время их жизни значительно больше. Поэтому люминесценция в этом случае имеет гораздо более длительный срок: наблюдается фосфоресценция.

Электролюминесценция – это излучения света под действием электрического поля или протекающего тока. При воздействии электрического поля на полупроводник (называемый люминофором) возникает ударная ионизация атомов электронами, за счет электрического поля, а также эмиссия электронов из центра захвата. Вследствие этого концентрация свободных носителей превысит равновесную и полупроводник окажется в возбужденном состоянии, т.е. в состоянии при котором его внутренняя энергия превышает равновесную при данной температуре.

Устройство электролюминесцентного излучателя (конденсатора): на металлическое основание напыляется тонкий слой (до 20 мкм) полупроводника (сульфида цинка), поверх него наносится тончайший, прозрачный для видимого света, слой металла. При подключении к металлическим слоям источника (постоянного или переменного) возникает зеленовато-голубое свечение, яркость которого пропорциональна значению U источника. Если в состав люминофора входит селенид цинка, то можно получить белое, желтое или оранжевое свечение.

Недостатки:

Низкое быстродействие;

Нестабильный параметр;

Невысокая яркость свечения;

Малый ресурс.

Электролюминесценция наблюдается и в полупроводниковых диодах, при протекании через диод тока, при прямом включении. При этом электроны переходят из n-области в p-область и там рекомбинируют с дырками. В зависимости от ширины запрещенной зоны фотоны имеют частоты в видимой или невидимой человеком части светового спектра, сделанных из кремния, излучают невидимый инфракрасный свет.

Для светодиодов используется материалы с шириной запрещенной зоны от 1,6 эВ до 3,1 эВ (это красный и фиолетовый цвет), а поэтому широко используется для создания цифровых индикаторов, оптронов, лазеров.

Преимущество:

Технологичность;

Высокое быстродействие;

Большой срок службы;

Надежность;

Микро миниатюрность;

Высокая монохроматичность излучения.

По конструкции светодиоды различают: инжекционные, полупроводниковые лазеры, суперлюминесцентные (занимающие промежуточные значения и применяют в ВОЛС), с управляемым цветом свечения.

ЗСИ – знакосинтезирующие индикаторы, – в которых изображение получают с помощью мозаики на независимо управляемых преобразователях «электрический сигнал-свет».

В ЗСИ используется свечение, возникающее в люминофорах помещенных в сильное электрическое поле. Конструктивно они представляют собой группу конденсаторов, у которых одна из обкладок выполнена прозрачной, а другая не прозрачной.

При подключении источника к обкладкам люминофор начинает светиться.

Если прозрачный электрод сделать той или иной формы, то зона свечения повторит форму. Цвет сечения зависит от состава люминофора. Используются в дисплеях.

Яркость свечения зависит от значения U и частоты: U=160-250В, f=300-4000Гц.

Потребляемая мощность сотые-десятые доли ватт, яркость 20-65кд/м 2 .

Катодолюминесценция. При удалении из колбы газа (при давлении ≈ 1,3 Па) свечение газа ослабевают и начинают светиться стенки колбы. Почему? Электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, при таком разряжении редко сталкиваются с молекулами газа и поэтому, ускоренные полем, ударяясь о стекло, вызывает его свечение, так называемую катодолюминесценцию, а поток электронов, получил название катодных лучей.

Низковольтная вакуумная люминесценция. По механизму действия не отличается то высоковольтной и носит рекомендательный характер.

Сущность – люминофор бомбардируется электронами, которые возбуждают люминофор и приводят к нарушению термодинамического равновесия. Появляются электроны, энергия которых больше энергии для зоны проводимости, и дырки, имеющие энергию, меньшую потолка валентной зоны. В связи с неустойчивостью неравновесного состояния начинается процесс рекомбинации с излучением фотонов катодами, что сопровождается излучением.

Если рекомбинация будет осуществляться через ловушку, то через некоторое время носители могут вернуться на свои места, что увеличивает послесвечение.

Низковольтная люминесценция характеризуется:

Типом люминофора;

Глубиной проникновения в кристалле бомбардирующих электронов;

Используется низковольтное напряжение (единицы-десятки вольт);

Используются в вакуумных ЗСИ;

Напряжение накала = 5В;

U а = (20-70)В;

Ток анода сегмент (1-3)мА.

Преимущества вакуумных ЗСИ:

Высокая яркость свечения;

Многоцветность;

Минимум потребления энергии;

Большое быстродействие.

Недостатки: необходимо иметь три источника питания, хрупкость конструкции.

Контрольные вопросы к теме 2:

1 Понятие поляризации.

2 Виды поляризации.

3 Чем определяется электропроводность диэлектрика?

4 Указать виды электрического пробоя.

5 Указать особенности сегнетоэлектриков.

6 Пьезоэффект и его применение.

7 Указать виды газового разряд и их особенности.

8 Особенности электролюминесценции и катодолюминесценции.