Фотолюминесценция кратко и понятно

Обновлено: 04.07.2024

ФОТОЛЮМИНЕСЦЕ́НЦИЯ, люминесценция , возбуждаемая оптич. излучением видимого или УФ-диапазона длин волн. Спектр возбуждения Ф. (зависимость выхода люминесценции от длины волны возбуждающего излучения) лежит в области полос поглощения люминесцирующего вещества. Максимум спектра Ф. сдвинут в длинноволновую сторону по сравнению с максимумом спектра возбуждения ( Стокса правило ). Это отличие обусловлено частичной потерей энергии на возбуждение тепловых колебаний. При изменении длины волны возбуждающего света в пределах одной полосы поглощения квантовый выход Ф. (отношение числа испущенных квантов к числу поглощённых) не изменяется ( Вавилова закон ). Для сложных молекул, где колебательные подуровни синглетных состояний образуют сплошные полосы, спектры поглощения и люминесценции подчиняются т. н. универсальному соотношению Степанова и обнаруживают зеркальную симметрию.

Фотолюминесценция — люминесценция, возбуждаемая светом.

Простейший случай фотолюминесценции — резонансное излучение. В этом случае, излучение на выходе среды происходит на той же частоте, что и частота падающего света. Этот случай хорошо иллюстрируют опыты американского оптика Вуда (R.Wood), наблюдавшего резонансное взаимодействие светового излучения c помещенными в кювету атомарными парами натрия.

При фотолюминесценции молекулярных и других - атомарных, наноразмерных сред излучение обычно подчиняется правилу Стокса, то есть частота испускаемого света фотолюминесценции обычно меньше, чем частота падающего. Однако, это правило часто нарушается и наряду со стоксовой наблюдается антистоксова часть спектра, то есть происходит излучение частоты, большей, чем частота возбуждающего света. Отметим, что, как правило,в общем случае, в отличие от резонансного излучения, упомянутого в начале статьи, ширина спектра фотолюминесценции оказывается большей, чем ширина спектра возбуждающего фотолюминесценцию излучения. Эксперименты по фотолюминесценции, выполненные как в случае простых систем - атомарных, так и в ещё более сложных, чем молекулы средах, например, в случае наночастиц , помещенных в аморфную среду (жидкость или стекло) подтверждают правило Стокса в полной мере. Это следует из многочисленных экспериментов, выполненных с использованием лазеров, позволяющих осуществлять возбуждение среды в широком диапазоне частот. В этом случае, как правило, с уменьшением частоты возбуждающего излучения происходит изменение и сдвиг в стоксову область частоты максимального пика спектра фототолюминесценции, что не мешает при соблюдении определенных условий резонанса появлению антистоксовой части спектра. При фотолюминесценции энергия возбуждающего излучения переходит не только в энергию испускаемого излучения, но также и в энергию колебательного, вращательного и поступательного движения молекул или атомов, то есть в тепловую энергию (см. безызлучательная релаксация).

Для явления фотолюминесценции закон сохранения энергии имеет следующий вид hν люм = 2 hν - hν 0i , где hν - энергия квантов светового излучения, используемого для возбуждения фотолюминесценции. Величина ν – частота этого излучения. Величина hν люм соответствует энергии квантов излучения фотолюминесценции, а величина hν 0i характеризует электронные переходы в атоме, молекуле или иной исследуемой среде, на которых происходит безызлучательная релаксация, вызывающая нагрев фотолюминесцирующей среды. В случае непрерывного спектра частоты ν 0i характеризуют гармоники, на которые данный спектр может быть разложен. Этой величине соответствует достаточно широкий спектр частот, включающий всевозможные виды уширения спектральной линии, соответствующей частоте ν 0i . Если hν меньше hν 0i , то имеет место стоксова фотолюминесценция, и, наоборот, для случая, когда величина hν больше hν 0i - антистоксова. Частота ν, по существу, есть среднее арифметическое между частотой ν 0i, на которой происходит поглощение избытка энергии, не преобразованной в излучение фотолюминесценции, и частотой ν люм (одной из частотных компонент), присутствующей в спектре излучения фотолюминесценции. Из закона сохранения энергии следует известное в фотолюминесценции правило зеркальной симметрии. Действительно, из закона сохранения энергии для частот, участвующих в процессе фотолюминесценции, мы имеем соотношение симметрии: hν 0i – hν = hν - hν люм . Родившееся на частоте фотолюминесценции излучение в диспергирующей среде распространяется с замедлением, обусловленным локальными, связанными с электронными переходами ( в атоме, молекуле) изменениями показателя преломления среды. По-видимому, с этим обстоятельством связано наблюдаемое при фотолюминесценции запаздывание световых процессов.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Фотолюминесценция" в других словарях:

фотолюминесценция — фотолюминесценция … Орфографический словарь-справочник

ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ — люминесценция, возбуждаемая оптич. излучением. В отличие от рассеяния света и горячей люминесценции, Ф. испускается после того, как в возбуждённом светом в ве закончились процессы релаксации и установилось квазиравновесие. В обычных случаях… … Физическая энциклопедия

ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ — люминесценция, возбуждаемая светом … Большой Энциклопедический словарь

ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ — ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ, разновидность люминесценции, возникающей под действием Фотонов, например, видимого света, инфракрасного или ультрафиолетового излучения, или же фотонов рентгеновского или гамма излучения. Люминесценция, возникающая под… … Научно-технический энциклопедический словарь

фотолюминесценция — сущ., кол во синонимов: 1 • электрофотолюминесценция (1) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

Фотолюминесценция — Люминесценция, возбуждаемая воздействием внешних квантов света, при которой частоты квантов и спектр излучаемого света изменяются по сравнению с частотами квантов и спектром возбуждающего света. Источник: ГОСТ Р 12.4.026 2001 EdwART. Словарь… … Словарь черезвычайных ситуаций

фотолюминесценция — Люминесценция, возникающая за счет энергии оптического излучения. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 79. Физическая оптика. Академия наук СССР. Комитет научно технической терминологии. 1970 г.] Тематики физическая оптика Обобщающие термины… … Справочник технического переводчика

ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ — (см.), возбуждаемая оптическим излучением … Большая политехническая энциклопедия

фотолюминесценция — люминесценция, возбуждаемая светом. * * * ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ, люминесценция (см. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ), возбуждаемая в веществе под действием оптического излучения ультрафиолетового или видимого диапазонов. Фотолюминесценция подчиняется … Энциклопедический словарь

фотолюминесценция — 3.7 фотолюминесценция: Люминесценция, возбуждаемая воздействием внешних квантов света, при которой частоты квантов и спектр излучаемого света изменяются по сравнению с частотами квантов и спектром возбуждающего света. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Люминесценция это и злучение света которое может происходить не только в результате нагревания тел, но и при других явлениях, например при электрическом разряде в глазах, некоторых химических процессах (гни ение, окисление фосфора) и т. д.

Наблюдается свечение светляков и морских микроорганизмов. Можно вызвать вторичное свечение веществ, действуя на них ультрафиолетовым излучением и т. п. Все эти виды излучения называют холодным свечением или люминесценцией.

Что такое люминесценция

Люминесценцией называют все виды излучения света, кроме излучения света нагретыми телами.

Люминесценцию подразделяют в соответствии с явлениями, которые ее вызывают. Виды люминесценции: биолюминесценцией называют свечение, наблюдаемое в живых организмах (грибы, бактерии, насекомые); электролюминесценцией — свечение газов при электрическом разряде; фотолюминесценцией — свечение, возбуждаемое посторонним излучением; катодолюминесценцией — свечение вещества под ударами электронов и т. п.

Элементарный механизм теплового излучения и люминесценции одинаков. Однако тепловое излучение является универсальным свойством всех тел и при соответствующих условиях принимает равновесный характер.

Люминесценция же является избирательным свойством тел, хотя и весьма распространенным, а излучение при ней является односторонним. Оно связано с непосредственным преобразованием различных видов энергии в энергию света и прекращается как только израсходуется энергия, обусловливающая излучение.

При люминесценции тело высвечивает фотоны.

Люминесценция не зависит от теплового излучения и может происходить одновременно с ним. С. И. Вавилов дал следующее определение: люминесценция это избыток излучения тела над его тепловым излучением при данной температуре.

Явление фотолюминесценции

Явление фотолюминесценции (в дальнейшем приставка фото опускается), т. е. свечения тел при поглощении излучения от постороннего источника. При этом атомы и молекулы вещества поглощают падающие на них фотоны с одной длиной волны (λ₁), возбуждаются и излучают фотоны с другой длиной волны (λ₂). Явление показано схематически на рис. 2 .

Фотолюминесценция свойственна большинству твердых и жидких тел. Простейший опыт по наблюдению фотолюминесценции: стакан С с раствором флуоресцина освещается светом дуги через фиолетовое стекло Ф, задерживающее голубое и все более длинноволновое излучение.

При этом в освещенной части жидкость ярко светится зелено-желтым светом.

Излучение при фотолюминесценции имеет преимущественно полосатые спектры. Как спектр излучения, так и спектр поглощения при люминесценции характерны для данного вещества. При этом в большинстве случа ев свет люминесценции имеет большую длину волны, чем свет, ее вызывающий.

Это отражено правилом Стокса: при спектр люминесценции излучения и его максимум сдвинуты по отношению к спектру поглощения и его максимуму в сторону более длинных волн.

Свечение, продолжающееся после прекращения действия излучения, возбуждающего люминесценцию, называется послесвечением. Послесвечение может быть весьма различным от 10 -8 сек до нескольких часов и даже суток.

Свечение, которое по зрительному ощущению прекращается одновременно с прекращением возбуждения, называется флуоресценцией. Свечение, имеющее заметное на глаз послесвечение, называется фосфоресценцией. Вещества с особенно длительным послесвечением называются фосфорами.

Фотолюминесценция веществ

Фотолюминесценция наблюдается у многих жидких и твердых тел как неорганической, так и органической природы. В настоящее время изготовляется большое количество веществ, дающих сильную фотолюминесценцию и называемых люминофорами.

Обычно основное вещество люминофора (окиси и сернистые соединения кальция, стронция и цинка, различные соли кремниевой, борной и вольфрамовой кислот) смешивается с незначительным количеством другого вещества, называемого активатором (марганец, кобальт, медь), которое значительно усиливает люминесценцию.

Большая часть люминофоров возбуждается ультрафиолетовым излучением с длиной волны 250—285 ммк и дает видимое излучение различного спектрального состава.

Люминофоры широко используются при устройстве люминесцентных ламп, светящихся экранов в электроннолучевых трубках, для изготовления светящихся красок и т. д.

Определение природы и состава вещества по характеру или точнее спектру его люминесцентного излучения называется люминесцентным анализом. При этом обычно наблюдается свечение тел под действием ультрафиолетового излучения.

При соответствующих условиях при этом можно обнаруживать наличие ничтожных количеств вещества (до 10 -9 г). Люминесцентный анализ делится на макроанализ, когда наблюдение производится невооруженным лазом, и микроанализ, когда оно производится при помощи микроскоп.

Люминесцентность применение

Люминесцентный макроанализ имеет большое значение в промышленности, гигиене и медицине. Большая часть органических соединений (кислоты, эфиры, жиры, алкалоиды, красители и т. д.) дает при поглощении ультрафиолетового излучения характерное свечение.

На этом основана, например, проверка качества и сортировка пищевых продуктов, фармакологических средств, растительного волокна (тканей), кожи и т. п., обнаружение в них суррогатов или фальсификаций и т. д. Используемый при этом прибор называется флуорометром.

Основную часть его составляет ртутная лампа , снабженная светофильтром. Цвет и интенсивность свечения наблюдаются глазом или измеряются с помощью фотоэлемента.

Фотолюминесценцию дают почти все ткани организма, особенно ногти, зубы непигментированные (седые), волосы, роговая оболочка, хрусталик глаза и т. д. Кожные заболевания с люминесценцией применяют при диагностике болезней кожи.

Во многих случаях в качестве диагностического приема пользуются введением в организм специальных красок, которые абсорбируются в определенных тканях. Эти ткани затем исследуются на люминесценцию.

При люминесцентной микроскопии исследуются естественные препараты или препараты, окрашенные флуоресцирующими красками.

Установка для микроскопии (рис. 3) состоит из специального осветителя О, состоящего из ртутной лампы со светофильтром Ф, пропускающим только ультрафиолетовое излучение с длиной волны 320—400 ммк (стекло Вуда), теплового фильтра Г, кварцевой призмы П и конденсора K, с кварцевыми линзами.

Препарат фиксируется в нефлуоресцирующей среде и располагается на кварцевом или увиолевом предметном стекле. Оптика микроскопа может быть из обычного стекла, так как через нее проходит видимый свет, возникший на препарате в результате флуоресценции.

Люминесцентные источники оптического излучения

Лампы, в которых используется свечение газа при электрическом разряде, называется газосветными и представляют стеклянные трубки, наполненные тем или иным газом под различным давлением. На концах трубки имеются электроды, к которым подводится переменное напряжение.

Излучение имеет линейчатый спектр преимущественно в видимой области. Спектр зависит от природы газа, заполняющего трубку. Например, неон светится оранжево-красным светом, азот — фиолетовым, аргон — синевато-зеленым и т. д.

Газосветные лампы являются экономичным источником излучения. Однако его спектральный состав мало соответствует спектру белого цвета, поэтому эти лампы применяются преимущественно для декоративного освещения.

Неоновая лампа, часто применяемую в качестве индикатора высокочастотных колебаний. Лампа (рис. 3) заполнена разреженным неоном и имеет два плоских близко расположенных электрода А и Б. Лампа может светиться также под действием высокочастотного переменного электрического поля, в которое она помещена.

В этом случае поле, действуя на первично ионизированные частицы газа, приводит их в интенсивное колебательное движение, которое поддерживает вторичную ионизацию. Такой разряд называется безэлектродным.

Люминесцентные ртутные лампы

Основной интерес для нас представляют лампы, в которых электрический разряд происходит в атмосфере ртутных паров. При этом возбужденные атомы ртути дают интенсивное излучение в ультрафиолетовой области спектра.

Ртутные лампы разделяются на лампы низкого (0,01 — 1 ,0 мм рт. ст.), высокого (150—400 мм рт. ст.) и сверхвысокого (несколько атмосфер) давления. Из них в медицине используются лампы низкого и высокого давления.

Медицинская ртутная лампа высокого давления, или как ее называют, аргоно-ртутно-кварцевая лампа состоит из прямой трубки К из кварцевого стекла, из которой удален воздух. Трубка наполнена аргоном под невысоким давлением. Кроме того, она содержит небольшое количество ртути.

Впаянные по концам металлические электроды Э для улучшения эмиссии электронов покрыты окислами щелочных металлов. При включении питающего напряжения между электродами горелки возникает тлеющий разряд в аргоне.

Разряд начинается за счет тех единичных ионов и электронов, которые имеются в естественном газе, и поддержи вается за счет вторичной ионизации. При этом электроды за счет бомбардировки их ионами газа и электронами нагреваются и с их поверхности происходит эмиссия электронов. Нагревается вся лампа, и имеющаяся в ней ртуть испаряется.

Возникает дуговой разряд в ртутных парах, давление которых при этом повышается до необходимого предела: устанавливается рабочий режим лампы. При этом лампа дает излучение с линейчатым спектром в ультрафиолетовой области (максимум излучения при длине волны 365 ммк, а также в сине-фиолетовой части видимого спектра.

Это излучение и видно глазом при работе лампы.

Лампу включают в сеть переменного тока. Параллельно лампе через кнопку К включают конденсатор С, разряд которого облегчает зажигание лампы. Последовательно с лампой включается индук тивное сопротивление (дроссель) Д .

Дроссель необходим для стабилизации тока в цепи лампы. Как указывалось, при разряде в газе незначительное изменение напряжения между электродами может вызвать непропорционально большое изменение количества вторично образующихся ионов и электронов и соответственное изменение тока, которое может нарушить работу лампы.

При изменении тока в дросселе возникает электродвижущая сила самоиндукции, противодействующая этому изменению, и таким образом сила тока автоматически поддерживается на постоянном уровне.

Лампа помещается в рефлекторе, который укреплен на штативе того или иного устройства, в зависимости от назначения лампы.

Применение ртутных ламп

Облучение ультрафиолетовым излучением применяют не только как средство лечения, но и как средство укрепления, закаливания организма. Это особенно важно для людей, которые в силу климатических условий (например, на Крайнем Севере ) или условий работы под землей лишены солнечного света.

Профилактическое облучение одновременно целой группы людей производится при помощи специального облучателя. Облучаемые располагаются на определенном расстоянии вокруг лампы и в течение определенного промежутка времени медленно поворачиваются так, чтобы обеспечить равномерное облучение всего тела.

Ртутная лампа низкого давления

Ртутная лампа низкого давления, называемая в медицине бактерицидной лампой (рис. 4, а), представляет собой трубку Т из увиолевого стекла (стекло с примесью кварца), по концам которой имеется два электрода Э в форме спиралей накала. Трубка заполнена аргоном под давлением в несколько миллиметров ртутного столба и содержит каплю металлической ртути.

Лампа Л включается в осветительную сеть последовательно с дросселем Д. Параллельно электродам лампы включен стартер С (рис. 4, б). Он состоит из неоновой лампочки с биметаллическим электродом, который вначале замыкает цепь тока для накала спиралей электродов. Как только электроды лампы нагреваются и в них возникает электронная эмиссия, биметаллическая пластинка стартера размыкает цепь.

При этом между электродами в лампе возникает тлеющий разряд первоначально в атмосфере легко ионизирующегося аргона. Постепенно ртуть испаряется и заполняет трубку.

Лампа переходит на рабочий ре жим, при котором тлеющий разряд происходит уже в атмосфере ртутных паров и между холодными электродами. Давление ртутных паров в лам пе составляет около 6•10 -3 мм рт. ст.

Лампа дает излучение с линей чатым спектром преимущественно в ультрафиолетовой области, максимум которого (до 70% всего излучения) падает на длину волны 253,7 ммк.

Бактерицидные лампы применяются для дезинфекции воздуха в oперационных, перевязочных, инфекционных отделениях больниц, а также в местах большого скопления людей (школы, театры и т. п.), особенно во время гриппозных эпидемий. Подвесной бактерицидный облучатель состоит из корпуса К, рефлектора Р и лампы Л.

Л юминесцентные лампы

В настоящее время для целей освещения применяются лампы, которые и называют собственно люминесцентными. Они устроены подобно ртутной лампе низкого давления, но делаются из простого стекла, внутренняя сторона которого покрыта люминофором.

Люминофор преобразует ультрафиолетовое излучение, возникающее в парах ртути внутри лампы, в видимое излучение определенного спектрального состава. Лампа является экономичным и гигиеничным источником искусственного света.

В зависимости от состава люминофора, лампы дают свечение разно го цвета (фиолетовый, голубой, зеленый, оранжевый, красный и т. п.). Путем комбинирования люминофоров можно получить свет любого оттенка. Соответственно имеются лампы дневного света, холодного белого света, теплого белого света и т. д.

В спектре люминесцентной лампы (рис. 5) сочетается сплошной спектр излучения люминофора с линейчатым спектром, частично проходящего через него излучения ртутных паров. Способ зажигания и схема включения в сеть люминесцентных ламп такие же, как и у бактерицидной лампы (см. рис. 4, б).

Имеется специальный тип люминесцентной лампы, которая дает ультрафиолетовое излучение с длиной волны в пределах 285—380 ммк (максимум излучения с длиной волны 310—320 ммк), недостающее в солнечном излучении в зимний период.

Лампа называется эритемной и в общем светильнике с группой ламп дневного света применяется для освещения в школах, яслях, больницах и т. п. в зимние периоды, особенно в северных районах страны.

Содержание

Формы

Процессы фотолюминесценции можно классифицировать по различным параметрам, таким как энергия возбуждающего фотона по отношению к излучению. Резонансное возбуждение описывает ситуацию, в которой фотоны определенной длины волны поглощаются, а эквивалентные фотоны очень быстро переизлучаются. Это часто называют резонансная флуоресценция. Для материалов в растворе или в газе фазав этом процессе участвуют электроны, но не происходит значительных переходов внутренней энергии, связанных с молекулярными особенностями химического вещества, между поглощением и испусканием. В кристаллических неорганических полупроводниках, где электронная ленточная структура вторичная эмиссия может быть более сложной, так как события могут содержать как последовательный такие вклады, как резонансные Рэлеевское рассеяние где сохраняется фиксированное фазовое соотношение с полем дальнего света (т. е. энергетически упругие процессы без потерь), и бессвязный вклады (или неупругие режимы, когда некоторые энергетические каналы переходят во вспомогательный режим потерь), [3]

Последние возникают, например, в результате излучательной рекомбинации экситоны, Кулон-связанные электронно-дырочные парные состояния в твердых телах. Резонансная флуоресценция также может показывать значительную квантово-оптический корреляции. [3] [4] [5]

Фотолюминесценция - важный метод измерения чистоты и кристаллического качества полупроводников, таких как GaN и InP и для количественной оценки количества нарушений, присутствующих в системе. [6]

Фотолюминесценция с временным разрешением (TRPL) - это метод, при котором образец возбуждают световым импульсом, а затем измеряют затухание фотолюминесценции во времени. Этот метод полезен для измерения время жизни неосновного носителя полупроводников III-V, таких как арсенид галлия (GaAs).

Фотолюминесцентные свойства прямозонных полупроводников

Идеальные бездефектные полупроводники - это системы многих тел где помимо взаимодействия света и вещества необходимо учитывать взаимодействие носителей заряда и колебания решетки. В общем, свойства PL также чрезвычайно чувствительны к внутренним электрические поля и диэлектрической среде (например, в фотонные кристаллы), которые накладывают дополнительные степени сложности. Точное микроскопическое описание дает уравнения люминесценции полупроводников. [7]

Идеальные структуры с квантовыми ямами

Структура фиктивной модели для этого обсуждения имеет два ограниченных квантованных электронных и две дырочные поддиапазоны, е₁, е₂ и ч₁, ч₂соответственно. спектр поглощения такой структуры показывает экситон резонансы первой (e1h1) и второй подзон квантовых ям (e₂, ч₂), а также поглощение из соответствующих состояний континуума и барьера.

Фотовозбуждение

В общем, различают три различных состояния возбуждения: резонансное, квазирезонансное и нерезонансное. Для резонансного возбуждения центральная энергия лазера соответствует наименьшему экситон резонанс квантовая яма. В систему-носитель не поступает избыточная энергия или подается лишь незначительное ее количество. В этих условиях когерентные процессы вносят существенный вклад в спонтанное излучение. [3] [11] Распад поляризации непосредственно создает экситоны. Обнаружение ФЛ является сложной задачей для резонансного возбуждения, поскольку трудно отличить вклады от возбуждения, то есть рассеянного света и диффузного рассеяния, от шероховатости поверхности. Таким образом, пятнышко и резонансный Рэлеевское рассеяние всегда накладываются на бессвязный эмиссия.

В случае нерезонансного возбуждения структура возбуждается с некоторой избыточной энергией. Это типичная ситуация, используемая в большинстве экспериментов по фотолюминесценции, поскольку энергия возбуждения может быть выделена с помощью спектрометр или оптический фильтр. Необходимо различать квазирезонансное возбуждение и барьерное возбуждение.

Для квазирезонансных условий энергия возбуждения настраивается выше основного состояния, но все еще ниже барьер край поглощения, например, в континуум первого поддиапазона. Спад поляризации в этих условиях происходит намного быстрее, чем при резонансном возбуждении, и когерентные вклады в излучение квантовой ямы незначительны. Начальная температура системы носителей значительно выше температуры решетки из-за избыточной энергии инжектированных носителей. Наконец, изначально создается только электронно-дырочная плазма. Затем следует образование экситонов. [12] [13]

В случае возбуждения барьера начальное распределение носителей заряда в квантовой яме сильно зависит от рассеяния носителей заряда между барьером и ямой.

Расслабление

Первоначально лазерный свет вызывает когерентную поляризацию в образце, т. Е. Переходы между электронным и дырочным состояниями осциллируют с частотой лазера и фиксированной фазой. Дефазы поляризации обычно составляют менее 100 фс в случае нерезонансного возбуждения из-за сверхбыстрого кулоновского и фононного рассеяния. [14]

Расфазировка поляризации приводит к созданию заселенностей электронов и дырок в зоне проводимости и валентной зоне соответственно. Время жизни популяций носителей заряда довольно велико, оно ограничено излучательной и безызлучательной рекомбинацией, такой как Оже-рекомбинация.Во этой жизни фракцию электронов и дырок могут образовывать экситоны, эта тема все еще спорно обсуждается в скорости образования literature.The зависит от экспериментальных условий, таких, как решетки температуры, плотности возбуждения, а также от общих параметров материала, например, , сила кулоновского взаимодействия или энергия связи экситона.

Характерные масштабы времени находятся в диапазоне сотен пикосекунды в GaAs; [12] они кажутся намного короче в широкозонные полупроводники. [15]

Непосредственно после возбуждения короткими (фемтосекундными) импульсами и квазимгновенного затухания поляризации распределение носителей в основном определяется спектральной шириной возбуждения, например лазер пульс. Таким образом, распределение не является тепловым и напоминает Гауссово распределение, с центром в конечном импульсе. В первые сотни фемтосекунды, носители рассеиваются на фононах или при повышенной плотности носителей за счет кулоновского взаимодействия. Несущая система последовательно расслабляется к Распределение Ферми – Дирака обычно в пределах первой пикосекунды. Наконец, система носителей остывает при излучении фононов. Это может занять до нескольких наносекундыв зависимости от материальной системы, температуры решетки и условий возбуждения, таких как избыточная энергия.

Излучательная рекомбинация

Излучение сразу после возбуждения имеет очень широкий спектр, но все же сосредоточено в области наиболее сильного экситонного резонанса. По мере релаксации и охлаждения распределения носителей ширина пика ФЛ уменьшается, а энергия излучения смещается, чтобы соответствовать основному состоянию экситона (например, электрона) для идеальных образцов без беспорядка. Спектр ФЛ приближается к своей квазистационарной форме, определяемой распределением электронов и дырок. Увеличение плотности возбуждения изменит спектр излучения. В них преобладает экситонное основное состояние для низких плотностей. Дополнительные пики от переходов более высоких подзон появляются по мере увеличения плотности носителей или температуры решетки, поскольку эти состояния становятся все более и более заселенными. Кроме того, ширина основного пика ФЛ значительно увеличивается с ростом возбуждения из-за дефазировки, вызванной возбуждением. [19] а пик излучения испытывает небольшой сдвиг энергии из-за кулоновской перенормировки и фазового заполнения. [8]

В общем, как населенности экситонов, так и плазма, некоррелированные электроны и дырки, могут действовать как источники фотолюминесценции, как описано в уравнения люминесценции полупроводников. Оба дают очень похожие спектральные характеристики, которые трудно различить; однако динамика их выбросов существенно различается. Распад экситонов дает одноэкспоненциальную функцию распада, поскольку вероятность их излучательной рекомбинации не зависит от плотности носителей. Вероятность спонтанного излучения для некоррелированных электронов и дырок приблизительно пропорциональна произведению заселенностей электронов и дырок, что в конечном итоге приводит к неодноэкспоненциальному распаду, описываемому гиперболическая функция.

Последствия беспорядка

В реальных материальных системах всегда присутствует беспорядок. Примеры структурные дефекты [20] в решетке или беспорядок из-за вариаций химического состава. Их обработка является чрезвычайно сложной задачей для микроскопических теорий из-за отсутствия детальных знаний о возмущениях идеальной структуры. Таким образом, влияние внешних эффектов на ФЛ обычно рассматривается феноменологически. [21] В экспериментах беспорядок может привести к локализации носителей и, следовательно, к резкому увеличению времени жизни фотолюминесценции, поскольку локализованные носители не могут так же легко найти центры безызлучательной рекомбинации, как свободные.

Исследователи из Университет науки и технологий короля Абдаллы (КАУСТ) изучили фотоиндуцированные энтропия (т.е. термодинамический беспорядок) InGaN/GaN штырь двойная гетероструктура и AlGaN нанопровода с помощью температурно-зависимой фотолюминесценции. [6] [22] Они определили фотоиндуцированный энтропия как термодинамическая величина, которая представляет недоступность энергии системы для преобразования в полезную работу из-за рекомбинация носителей и фотон эмиссия. Они также связали изменение в генерации энтропии с изменением динамики фотоносителей в активных областях нанопроволоки, используя результаты исследования фотолюминесценции с временным разрешением. Они предположили, что количество вызванного беспорядка в InGaN слоев в конечном итоге увеличивается по мере приближения температуры к комнатной из-за термической активации поверхностные состояния, в то время как в нанопроволоках AlGaN наблюдалось незначительное увеличение, что указывает на более низкую степень неопределенности, вызванной беспорядком, в полупроводнике с широкой запрещенной зоной. Для изучения фотоиндуцированного энтропия, ученые разработали математическую модель, которая учитывает чистый обмен энергией в результате фотовозбуждения и фотолюминесценции.

Фотолюминесцентные материалы для определения температуры

В люминофорная термометрия, температурная зависимость процесса фотолюминесценции используется для измерения температуры.

При высокой плотности оптического возбуждения (например, с помощью лазера) в некоторых материалах могут наблюдаться существенные отклонения от закона Стокса-Ломеля. Это происходит при взаимодействии падающих квантов света с возбужденными атомами вещества, когда энергия кванта добавляется к уже имеющейся энергии возбуждения. Тогда в небольшой области спектра излучения может регистрироваться люминесценция более коротковолновая, чем длина волны падающего излучения — антистоксовая люминесценция. Такие люминофоры получили название антистоксовых. С их помощью можно преобразовывать инфракрасное излучение лазеров в видимый свет.

Отношение числа фотонов люминесцентного излучения к числу фотонов возбуждающего излучения называется квантовым выходом h фотолюминесценции. В результате межмолекулярных взаимодействий, а в сложных молекулах и вследствие внутримолекулярных процессов, может происходить переход электронной энергии возбуждения в энергию движения молекул, т. е. в тепловую энергию. Такие процессы называются тушением фотолюминесценции, они приводят к тому, что квантовый выход фотолюминесценции оказывается меньше единицы. В отсутствие тушения фотолюминесценции, квантовый выход фотолюминесценции равен единице. Согласно закону С. И. Вавилова, квантовый выход фотолюминесценции постоянен в широкой области длин волн возбуждающего излучения и резко уменьшается при длинах волн, превышающих максимум спектра фотолюминесценции. Если при поглощении света происходит не только возбуждение, но и фотоионизация, фотолюминесценция возникает в результате рекомбинации электронов с ионизованными центрами свечения, и выход фотолюминесценции и ее свойства зависят от того, где поглощается возбуждающий свет — в центрах свечения или в кристаллической решетке основного вещества.

Фотолюминесценция широко используется в технике, так как около 10% всей вырабатываемой энергии идет на цели освещения, а применение фотолюминофоров, используемых в люминесцентных лампах, позволяет наиболее экономно расходовать эту энергию. Эффект фотолюминесценции используется также для люминесцентного анализа, люминесцентной дефектоскопии.

Читайте также: