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.

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.

Люминесценция, возбуждаемая электрическим полем

Анимация

Описание

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. Из различных типов электролюминесценции твердых тел наиболее важны инжекционная и предпробойная. Инжекционная электролюминесценция характерна для р-n - перехода в некоторых полупроводниках, например в SiС или GaP, в постоянном электрическом поле, включенном в пропускном направлении. В n - область инжектируются избыточные дырки, а в р -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 электролюминесценция наблюдается, например, в порошкообразном ZnS, активированном Cu, Al и др. помещенном в диэлектрик между обкладками конденсатора, на который подается переменное напряжение звуковой частоты. При максимальном напряжении на обкладках конденсатора в люминофоре происходят процессы, близкие к электрическому пробою: на краях частичек люминофора концентрируется сильное электрическое поле, которое ускоряет свободные электроны. Эти электроны могут ионизировать атомы; образовавшиеся дырки захватываются центрами люминесценции, на которых рекомбинируют электроны при изменении направления поля.

Временные характеристики

Время инициации (log to от -3 до -1);

Время существования (log tc от -1 до 9);

Время деградации (log td от -6 до -3);

Время оптимального проявления (log tk от 0 до 6).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Вариант 1:

Реально - обычная сетевая отвертка-пробник, вставляемая в гнездо сетевой розетки для проверки наличия напряжения.

Электролюминесценция в газоиндикаторе

Рис. 1

Обозначения:

3 - люминесцентная трубка произвольной формы;

Вариант 2: Твердотельная реализация в p-n полупроводнике электролюминесценции

Реально - стандартный светодиод, используемый для световой индикации включения в современных электронных бытовых приборах.

Твердотельная реализация в p-n переходе электролюминесценции

Рис. 2

Обозначения:

3 - p-n переход;

4 - поток люминесцирующего излучения;

U - напряжение переменной ЭДС.

Применение эффекта

Электроны дырки полупроводника могут комбинировать с излучением фотона. Можно представить себе четыре варианта таких процессов: переход электрона полосы проводимости к дырке валентной полосы и к дырке акцепторного уровня, переход электрона. донорного уровня к дырке валентной полосы и к дырке акцепторного уровня.

Чтобы полупроводник был излучателем света, надо, чтобы его структура благоприятствовала быстрой рекомбинации электронов

и дырок, а также позволяла вводить электроны в возбужденные состояния. Такие состояния будут получены, если удастся инжектировать электроны в полупроводник, в котором больше дырок, т. е. в n-кристалл. Тот же эффект получится введением дырок в полупроводник n-типа. Наконец, можно также прибегнуть к инжекции в изолятор дырок и электронов.

Если, пропуская ток через полупроводник, мы осуществим один из этих процессов, то произойдет прямое превращение энергии тока в свет, т. е. будет иметь место электролюминесценция.

Наиболее удобными для практического осуществления электролюминесценции оказались р - n-диоды, изготовленные из бинарных полупроводников типа фосфида или арсенида галлия. На рис. 308а дана схема энергетических уровней диода. Между p- и n-областями диода установится, как только что было объяснено, контактная разность потенциалов, уравновешивающая диффузию электронов (черные кружки) в p-область и дырок (светлые кружки) в n-область (рис. 308а, а)

При наложении поля (рис. 308а, б) барьер понижается, электроны начинают свое движение вправо на нашем чертеже, а дырки влево. В пограничном слое создаются благоприятные условия для рекомбинации всех четырех типов. Энергия образующихся фотонов, грубо говоря, равна зазору между полосами.

Конечно, процесс рекомбинации не обязательно должен сопровождаться излучением. Соответствующая энергия может перейти и в тепло. Если бы удалось осуществить идеальный случай, то выход излучения превосходил бы подводимую электрическую энергию и прибор работал бы как холодильник, черпая тепло в кристалле и окружающей среде.

Все излучение распространяется в плоскости пограничного слоя. Два конца диода, перпендикулярные границе, полируются таким образом, чтобы создалась резонансная полость. При больших токах излучение становится стимулированным со всеми

вытекающими отсюда следствиями в отношении остроты направленности поляризации и когерентности.

К настоящему времени удалось создать большое количество полупроводниковых лазеров. Все они относятся к бинарным полупроводникам, комбинирующим элементы II-VI, а также III - V столбцов таблицы Менделеева. В соответствии с ширинами зазоров, колеблющимися в пределах нескольких единиц электрон-вольт, созданы полупроводниковые лазеры, охватывающие диапазон длин волн от ультрафиолета до далекого инфракрасного света.

Рекомбинация электронов и дырок в полупроводниках может вызываться несколькими независимыми конкурирующими процессами. Иногда удобно отдельно рассматривать непосредственные переходы зона-зона и переходы с промежуточными шагами. Более важны для нас различия между излучательными и безызлучательными процессами

рекомбинации. При безызлучательных переходах энергия рекомбинации нагревает кристалл. При излучательных энергия рекомбинации преобразуется в кванты излучения. Если рекомбинация происходит в несколько этапов, может излучаться несколько квантов большей длины волны.

На рис. 8.1 схематически изображены несколько процессов рекомбинации. Наибольший интерес для нас представляет прямой зона - зонный излучательный переход (рис. 8.1, а). Основные конкурирующие безызлучательные переходы идут через глубоко лежащие в запрещенной зоне ловушечные уровни (рис. 8.1, в, г). Причиной появления этих ловушечных уровней могут быть примесные атомы, такие как золото или кремний, дислокации или другие дефекты кристаллической решетки, которые в большом количестве встречаются на поверхности полупроводника. Процессы рекомбинации зависят от расстояния до поверхности, макроскопических дефектов материала, нарушения непрерывности кристаллической структуры.

Рис. 8.1. Механизмы электронно-дырочной рекомбинации (в каждом случае отдельные стадии процесса следуют слева направо): а - прямой зона - зонный излучательный переход; излучательный зона - зонный переход с участием одного или нескольких фононов энергии в - переходы (возможно, безызлучательные) с участием глубоких акцепторных ловушек; г - переходы (возможно, безызлучательные) с участием глубокого донориого уровня; д - переходы (излучательиые или безызлучательные) с участием неглубокого акцепторного уровня; е - безызлучательный «сверлящий» рекомбинационный переход