发光材料的发光机理以及各种发光材料的研究进展(精)

1、发光材料的发光机理以及各种发光材料的研究进展罗志勇20042401143摘要：发光材料种类繁多，自然界中很多物质都具有不同程度的发光现象。本文通过按照不同的发光机理，将现在常见的发光物质进行分类，并介绍他们的发展与研究进展。关键词：发光材料发光机理进展1. 前言物质的发光可由多种外界作用引起，如电磁辐射作用、电场或电流的作用、化学反应、生物过程等等。根据不同的发光原因，可以将发光材料分为光致发光材料、电致发光材料、化学发光材料等等。发光材料涉及了无机和有机功能材料和固、液、气三种聚集状态，所以又可以将发光材料分为无机固体发光材料和有机发光材料等等。现在人们研究得比较深入的有有机电致发光材料、有

2、机光致发光材料、有机偏振发光材料、稀土高分子发光材料、无机电致发光材料、纳米稀土发光材料等等。不同的发光材料可以应用于各种光源、显示器等现代显示技术之中。2. 发光材料的发光机理2.1 光致发光材料发光机理光致发光材料是指在一定波长的光照射，材料分子中基态电子（主要是n电子和f、d电子）被激发到高能态，电子从高能态回到激发态时，多余的能量以光的形式散发出来，达到发光的目的。这种发光材料称为荧光材料，大部分的稀土发光材料均以这种方式发光，原因是稀土元素基本都具有f电子，并且f电子的跃迁方式多样，因此稀土元素是一个丰富的发光材料宝库。2.2 电致发光材料发光机理电致发光是在直流或交流电场的作用下，

3、依靠电流和电场的激发使材料发光的现象，也称场致发光。电致发光的机理有本征式和注入式两种。本征式场致发光是用交变电场激励物质，使产生正空穴和电子。当电场反向时，那些因碰撞离化而被激发的电子，又与空穴复合而发光。注入式场致发光是指n-型半导体和p-型半导体接触时，在界面上形成p-n结。由于电子和空穴的扩散作用，在p-n结接触面的两侧形成空间电荷区，形成一个势垒，阻碍电子和空穴的扩散。n区电子要到达p区，必须越过势垒；反之亦然。当对p-n结施加电压时会使势垒降低。这样能量较大的电子和空穴分别进入p区和n区，分别同p区的空穴和n区的电子复合。同时以光的形式辐射出多余的能量。2.3 化学发光材料发光机理

4、化学发光是指把化学反应释放的能量直接转变成光。也就是通过化学反应释放的能量使物质达到激发态后，进而再通过辐射失活回到基态并同时发光。化学发光的量子效率较低，通常不超过20%。常见的化学发光物质就是含有邻二氧杂环丁烷、邻二氧杂环丁酮或其他过氧桥环结构的化合物。2.4 等离子体发光材料发光机理等离子体是含有足够数量的带电粒子，有较大的电导率，其运动主要受电磁力支配的物质状态。当气体的电子得到足够的能量之后，可完全脱离原子，产生的高速电子又会撞击中性粒子使之电离。相反的过程则是两种带电粒子的复合，在复合过程中以光的形式释放能量。等离子体发光材料主要是稀有气体，基本是以氖气为基质，另外掺一些其他气体如

5、氦和氩。3发光材料的应用与研究进展3.1稀土发光材料发光材料中的基质或者激活剂是稀土元素，一般都统称为稀土发光材料或者稀土荧光材料。在人们开发的各种发光材料中，稀土发光材料发挥着重要的作用，现在已经开发出了稀土长余晖发光材料、稀土纳米发光材料、稀土高分子发光材料、稀土激活发光材料等等。3.1.1稀土长余晖发光材料稀土长余晖发光材料主要有稀土硫化物发光材料、稀土铝酸盐发光材料、稀土长余晖发光玻璃和稀土长余晖发光涂料等等。稀土硫化物发光材料主要集中在以碱土金属硫化物为基质，EU3+为主要激活剂，添加Dy3+、Er3+等为辅助激活剂。这种体系的最大优点是体色鲜艳，弱光下吸光速度快，可覆盖从蓝色到红色

6、的发光区域。稀土硫氧化物长余晖发光材料是另一类稀土硫化物长余晖发光材料。该发光材料以稀土代替碱金属，余晖有很大的提高。例如Y2O2S:Eu中掺杂Mg、Ti等获得了余晖时间达5h的红色稀土长余晖发光材料。稀土硫化物体系的应用还存在着许多缺点，例如体系稳定性差，在空气中易于水反应放出H2S气体；发光强度低；余晖时间较短等等。3.1.2稀土纳米发光材料稀土纳米发光材料是指颗粒尺寸在1-100nm的发光材料，它包括纯的和掺杂离子的纳米半导体复合发光材料和具有分立发光中心的掺杂稀土或过渡金属离子的纳米发光材料。稀土纳米发光粒子的研究重点是表面界面效应和小尺寸效应对光谱结构及其性质的影响，因为与体相材料相

7、比，稀土纳米发光材料出现了一些新现象，如电荷迁移带红移、发射峰谱线宽化、猝灭浓度升高、荧光寿命和量子效率改变等等。第2页共5页中级物理化学实验3.1.3稀土高分子发光材料稀土高分子泛指稀土金属掺杂或键合于高分子中的聚合物。高分子材料本身具有稳定性好及来源广、成型加工容易等特点，而将稀土元素引入到高分子基质中制成稀土高分子发光材料，其应用前景将十分广阔。稀土高分子发光材料有很多种：如光致发光、电致发光以及其它一些功能高分子材料。稀土高分子发光材料的合成方法主要有：(1)稀土小分子配合物直接与高分子混合得到的掺杂高分子发光材料；(2)高分子配体和小分子配体协同作用，通过共聚或均聚得到化学键合的高分

8、子发光材料；(3)稀土配合物通过共价键嫁接于无机基质中，得到稀土高分子杂化发光材料。稀土高分子发光材料在农用发光材料、特种功能材料、生物等领域有重要的应用。在农业中，稀土发光材料可以有效吸收阳光中的紫外线并将其转换成对农作物生长十分有利的红橙光，从而提高植物的光合作用效率，利于农业生产。已经研制出有效的稀土高分子发光材料有镧系(Eu3+,Tb3+)-卩二酮-醋酸纤维素荧光膜等。稀土高分子可以用于彩色显示材料，含稀土Ln3+、Tb3+和Eu3+的高分子配合物在紫外线的照射下分别发出红、绿、蓝三种颜色的荧光，可以代替现在彩色显示器件中的无机材料。稀土高分子还可以用于湿敏发光材料，它是将稀土-卜二酮

9、螯合物掺入聚合反应体系中，利用湿度的变化对发光强度或波长的影响来对反应进行动态监察观测，据报导已用于监测高速阳离子光致聚合反应。3.1.4稀土激活剂发光材料稀土激活剂发光材料是指在发光材料中掺入Eu等稀土金属离子作为激活剂，激发发光材料的发光性能。稀土激活剂发光材料在生产生活中已经得到广泛的应用。人们主要在研究其激活机理。其中较为人所接受的有晶体场理论和J-O理论等。晶体场理论认为，稀土离子渗入晶体中，受到周围晶格离子的影响，在固体中形成典型的分立发光中心。在分立中心发光中，参与发光跃迁的电子是形成中心离子本身的电子，电子的跃迁发生在离子本身的能级之间。中心的发光性质主要取决于离子本身，而基质

10、晶格的影响是次要的。而J-O理论的基本思想则是利用可测量的基态到激发态跃迁的吸收峰的积分强度，计算出电偶极跃迁和电多极跃迁的振子强度。3.2有机发光材料有机发光材料发现得比较晚，但是有机发光材料还是可以按照无机发光材料的分类方法分为光致发光材料、电致发光材料等等。有机光致发光的机理与无机发光材料的发光机理略有不同，光致发光中大多数有机物具有偶数电子，基态时电子成对的存在于各分子轨道根据泡林不相容原理，同一轨道上的两第3页共5页中级物理化学实验第6页共5页个电子自旋相反，所以分子中总的电子自旋为零，这个分子所处的电子能态称为单重态(2S+l=0).当分子中的一个电子吸收光能量被激发时，通常它的自

11、旋不变，则激发态是单重态如果激发过程中电子发生自旋反转，则激发态为三重态三重态的能量常常较单重态低当有机分子在光能(光子)激发下被激发到激发单重态(S),经振动能级驰豫到最低激发单重态(S1),最后由S1回到基态S0。，此时产生荧光，或者经由最低激发三重态(T),(S1-T1),最后产生T-S0的电子跃迁，此时辐射出磷光。而由于其特殊的发光机理，一般有机发光材料均具有平面刚性结构和n电子共轭体系。所以有机光致发光材料中主要含有咔唑、恶二唑、噻唑、吡嗪等基团。人们研究的比较深入的是有机电致发光材料。有机电致发光材料除应有较高的荧光量子效率和较好的载流子传输特性外，还应容易真空升华成膜并具有良好的

12、光稳定性、热稳定性。有机电致发光材料较其他发光材料还有如下的突出特点，如功耗低、易弯曲、响应速度快等。因此有机电致发光材料已经广泛被应用于液晶显示器、等离子显示器、阴极射线管和发光二极管等技术之中。现在有机电致发光材料的研究热点是金属有机配合物，如AlQ3、Gaq3、Bebq、ZnPBT和ZnPBO等。有机发光材料在使用过程中还存在着比较多的缺点，如蓝光材料和红光材料的性能不够理想；各种颜色的色纯度还有待进一步提高；发光效率还不够理想；使用寿命比无机发光材料短；最佳的全色显示方案与驱动方式尚无定论。所以在未来一段时间内，有机发光材料将是人们所关注的热点。4结束语发光材料作为一种重要的功能材料，

13、已经被广泛的使用在生产生活的各个领域之中。其中稀土元素发光材料因其特殊的电子构造，在发光领域中有着巨大的潜力，也是人们研究的热点之一。稀土元素发光材料有着优越的性能，颜色鲜艳，余晖时间较长，所以各个领域中有着可观的应用前景。另一种具有巨大开发潜能的发光材料就是有机发光材料，但是其中的缺点也是不可忽视的，近期内改善有机发光材料的缺点因是人们研究的重点所在。另外，更具不同的发光机理可以发现和找出性能更优越的发光材料和复合发光材料。参考文献：1 张建成等.现代光化学.北京:化学工业出版社,20062 姜月顺等.光化学.北京:化学工业出版社,20053 欧得华等.长余辉发光材料研究进展.江苏化工,20

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