Наблюдается в веществах- полупроводниках и кристаллофосфорах, атомы (или молекулы) которых переходят в возбуждённое состояние под воздействием пропущенного электрического тока или приложенного электрического поля.

Механизм

Электролюминесценция- результат излучательной рекомбинации электронов и дырок в полупроводнике. Возбужденные электроны отдают свою энергию в виде фотонов. До рекомбинации электроны и дырки разделяются -либо посредством активации материала для формирования p-n перехода(в полупроводниковых электролюминесцентных осветителях, таких как светодиод) - либо путём возбуждения высокоэнергетическими электронами (последние ускоряются сильным электрическим полем)- в кристаллофосфорах электролюминесцентных панелей.

Электролюминесцентные материалы

Обычно электролюминесцентные панели выпускаются в виде тонких пленок из органических или неорганических материалов. В случае применения кристаллофосфоров цвет свечения определяется примесью - активатором. Конструктивно электролюминесцентная панель представляет из себя плоский конденсатор. Электролюминесцентные панели требуют подачи достаточно высокого напряжения (60 - 600 вольт); для этого, как правило, в устройство с электролюминесцентной подсветкой встраивается преобразователь напряжения .

Примеры тонкопленочных электролюминесцентных материалов:

• Порошкообразный сульфид цинка, активированный медью или серебром (сине-зеленое свечение);
• Сульфид цинка, активированный марганцем- желто-оранжевое свечение;
• Полупроводники III-V InP, GaAs, GaN (светодиоды).

Применение

Электролюминесцентные осветители (панели, провода и т.д.) широко используются в бытовой электронике и светотехнике, в частности - для подсветки жидкокристаллических дисплеев, подсветки шкал приборов и пленочных клавиатур, декоративного оформления строений и ландшафта и пр.

Для военных и промышленных применений выпускаются электролюминесцентные графические и знакосинтезирующие дисплеи . Эти дисплеи отличаются высоким качеством изображения и относительно низкой чувствительностью к температурным режимам.

Напишите отзыв о статье "Электролюминесценция"

Литература

• Гершун А. Л. ,. // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.

Ссылки

• (недоступная ссылка - история , копия )

Отрывок, характеризующий Электролюминесценция

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.

Инжекционная электролюминесценция была обнаружена О. В. Лосевым в 1923 при изучении кристаллических детекторов на основе карбида кремния. Лежит в основе принципа действия светодиодов и полупроводниковых лазеров. Электролюминесценция - это люминесценция, возбуждаемая электрическим полем. Наблюдается в газах и твердых телах . При электролюминесценции атомы (молекулы) вещества переходят в возбужденное состояние в результате возникновения в нем какой-либо формы электрического разряда. Инжекционная электролюминесценция наблюдается при включении p-n-перехода в прямом направлении. При приложении внешнего напряжения U, понижающего контактную разность потенциалов, в n-область вводятся (инжектируются) избыточные дырки, а в р-область - электроны, или те и другие вводятся в высокоомный тонкий слой между n- и р-областями. Основное значение здесь имеет характер контактов между электродами и светящимся веществом. Инжекционная электролюминесценция, т.е. генерация оптического излучения в р-n-переходе, объединяет два процесса: инжекцию носителей и собственно электролюминесценцию.

Если р - п -переход находится под напряжением, приложенным в прямом направлении, то дырки из р-области и электроны из п-области движутся навстречу друг другу и рекомбинируют с излучением, попадая в область перехода. Например, если концентрация электронов в n-области больше, чем концентрация дырок в p-области, т.е. nn>pp, то происходит инжекция электронов из n-области в p-область .

Инжектированные через p-n переход неосновные носители заряда диффундируют вглубь материала. За счет процессов рекомбинации их концентрация убывает по мере удаления от области объемного заряда.

Рисунок 1. - Инжекция

При постоянной скорости рекомбинации концентрация неосновных носителей заряда будет уменьшаться с расстоянием по экспоненциальному закону. Расстояние, на котором их концентрация уменьшится в е раз, равно диффузионной длине. Эту величину можно принять за глубину, на которую проникают инжектированные носители заряда. Таким образом, глубину проникновения электронов в р-область можно считать равной диффузионной длине Ln в р-материале, а глубину проникновения дырок в n-область - диффузионной длине Lp в n-материале .

Рекомбинирующие электроны переходят с более высоких энергетических уровней зоны проводимости, близких к ее нижней границе, на более низкие уровни, расположенные вблизи верхней границы валентной зоны. При этом выделяется фотон, энергия которого почти равна ширине запрещенной зоны E g .

Германий и кремний не пригодны для светодиодов, так как ширина запрещенной зоны у них слишком маленькая. Для современных светодиодов применяют главным образом фосфид галлия GaP и карбид кремния SiC, а также некоторые тройные соединения, называемые твердыми растворами, состоящие из галлия, алюминия и мышьяка (GaAlAs) или галлия, мышьяка и фосфора (GaAsP) и др. Внесение в полупроводник некоторых примесей позволяет получать свечения различных цветов.

Процесс рекомбинации состоит в переходе электронов из зоны проводимости в валентную зону и сопровождается выделением избыточной энергии . Часть этой энергии расходуется на нагревание кристалла, а остальная излучается в виде квантов света.

При включении светодиода в обратном направлении инжекции носителей не будет, ток будет малым, и инжекционной электролюминесценция не будет. Процесс рекомбинации состоит в переходе электронов из зоны проводимости в валентную зону и сопровождается выделением избыточной энергии. Часть этой энергии расходуется на нагревание кристалла, а остальная излучается в виде квантов света .

Рекомбинация может происходить также с участием уровней примеси. При рекомбинации электронов и дырок в этом слое возникает свечение. Цвет свечения при инжекционной электролюминесценции зависит от материала-основы и природы примесей. Широкое распространение получили светодиоды на основе GaP, излучающие в зеленой, желтой и красной областях спектра .

Применение инжекционной электролюминесценции в светоизлучателях

В 1950 году появилось сообщение американских специалистов Пэйна, Магера и Джерома о практическом использовании явления электролюминесценции, выразившемся в создании ими нового источника света - электролюминесцентной лампы. С этого года во многих странах, в том числе и СССР, началось развитие глубоких исследований явлений электролюминесценции и их практического применении в источниках света нового типа и принципиально новых усилителях света, усилителях световых изображений, телевизионных приемных приборах, вычислительных машинах и других устройствах.

Значительная часть работ по инжекционной электролюминесценции посвящена исследованию физики этого явления. Именно благодаря успехам в исследовании механизма люминесценции и природы центров излучательной и безызлучательной рекомбинации удалось разработать технологию получения эффективных светодиодов на основе карбида кремния и фосфида галлия.

Рассмотрим некоторые свойства электролюминесценции важные с точки зрения практического применения. Речь будет идти о частных случаях электролюминесценции - свечении, возникающих в кристаллах при наложении на них больших внешних электрических полей.

Конструкция электролюминесцентного источника света схематично показана на рис.2. Для наглядности толщина слоев сильно и непропорционально увеличена. Мелкокристаллический порошок люминесцирующего вещества распределен здесь в диэлектрике из смолы, образуя тонкий слой между электродами. Один из электродов прозрачен.

В большинстве конструкций опорной деталью является стеклянная пластина, на одной столоне которой создается проводящее прозрачное покрытие из окиси олова или окиси кадмия. Проводящее покрытие может представлять собой также тонкую пленку напыленного золота или же мелкоструктурную сетку из латуни либо фосфористой бронзы. На поверхность проводящего слоя наносится слой диэлектрика, содержащий электролюминофор, чаще всего на основе сульфида цинка. Затем создается второй электрод, обычно в виде тонкого слоя напыленного в вакууме алюминия. Этот электрод служит также для отражения излучаемого света в сторону прозрачного электрода. На краях элемента укрепляются две мягкие металлические прокладки, соединяемые электродами. Изготовление прибора завершается покрытием тыловой стороны слоем диэлектрика, защищающего тонкие слои от механических повреждений и попадания в них влаги и пыли, а также изолирующего их электрически.

Яркость электролюминесцентных источников света в течение первых часов работы возрастает, а затем со временем уменьшается. Они могут сохранять 90% первоначальной яркости после 1000 часов работы и 75% после 4000 часов. Для сравнения заменим, что в люминесцентных лампах световой поток после работы в течение 2000-2500 часов снижается на 30%, а средняя продолжительность горения ламп накаливания составляет всего 1000 часов.

Основные параметры светодиодов следующие:

1. Сила света, измеряемая в канделах (единица силы света, испускаемая стандартным специальным источником) и указываемая для определенного значения прямого тока. У светодиодов сила света обычно составляет единицы –сотни мКд.
2. Яркость, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности (десятки - сотни кандел на см2).
3. Постоянное прямое напряжение (2-3 В).
4. Цвет свечения и длина волны, соответствующие максимальному световому потоку.
5. Максимальный допустимый постоянный прямой ток (десятки мА).
6. Максимальное допустимое постоянное обратное напряжение (единицы В).
7. Диапазон температур окружающей среды, при которых светодиод может нормально работать (например, от –60 до +700С).

Проведя анализ инжекционной электролюминесценции, я выяснила, что электролюминисценция это явление благодаря которому можно получать полупроводниковые излучатели. Электролюминисценция - это свечение, возникающее при возбуждении твердого тела переменным электрическим полем или током. Особенностью этого процесса является отсутствие необходимости нагрева тела, как в случае свечения накаленных тел. В настоящее время данное направление является актуальной темой для исследования .

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.

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.