第二章发光相关背景与基础知识解析

第二章发光相关背景与基础知识解析课程内容第1部分发光材料绪论及相关基础（6学时）发光材料概述发光相关背景与基础知识第2部分发射发光材料制备与测试（6学时）第3部分发光材料及其应用（18学时）光致发光材料及发光机理研究无机电致发光材料与器件有机电致发光材料与器件阴极射线发光材料放射线和X射线发光材料合成原理与方法发光测试与表征第4部分发射材料及其应用（2学时）上节回顾晶体结构与发光性能晶体结构缺陷能带理论第二章发光相关背景与基础知识晶体结构与发光性能能带理论光色度学发光材料的主要物理量和通用名词晶态发光材料的组成与符号2.3光色度学2.3.1光的本质①光是具有波粒二象性的物质，既是一种电磁波，又是一种微粒流。电磁波根据波长的不同一般划分为微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等等。按波长来分一般有：可见光区：波长为380～780nm红光：625～780nm橙色：590～625nm黄色：565～590nm绿色：505～565nm蓝色：440～505nm紫色：380～440nm红外光区：780～106nm紫外光区：10～380nmX射线区：10－1～10－6μm微波区：1mm～1m无线电区：1m～100kmγ射线区：10－4～10－8μm②通常光按两种方式产生：温度辐射和发光。辐射：是指电磁波能量的传播。温度辐射：又称热辐射，就是物质在一定温度下辐射出热能。任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。黑体：对某一温度下，在所有波长上具有最大温度辐射的物体称为黑体，黑体辐射最大。对于黑体来说，入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射，黑体是物理学家定义的一种理想物质，现实世界不存在这种理想的黑体。黑体辐射的能量分布曲线E(ν)可由普朗克公式计算而出:色温——当某光源的光谱分布和温度为T的黑体辐射的光谱分布相同时，我们就称T为该光源的色温。色温是表示光源光谱质量最通用的指标。低色温光源的特征是能量分布中，红辐射相对说要多些，通常称为“暖光”；色温提高后，能量分布集中，蓝辐射的比例增加，通常称为“冷光”。一些常用光源的色温为：标准烛光为1930K（开尔文温度单位）；钨丝灯为2760-2900K；荧光灯为3000K；闪光灯为3800K；中午阳光为5400K。2）光通量(Φ)

假定辐射体发出的光线是波长为λ的单色光，该辐射单位时间内辐射的能量就是辐射通量Pλ，其中能被人眼所感觉的那部分称为光通量Φ，也就是单位时间内流出光能的大小，单位是流明(lm)。光通量表示光源的发光能力。

光度量（单位）1）光能（Q）光能就是辐射能落入人眼而引起视觉的这部分能量的大小，其单位是lm·s。光源在发光的过程中除了光能还有其他的辐射能。

Φλ＝Kλ·Pλ光视效能K的意义是光源发出的辐通量可产生多少能对目视引起刺激的光通量。它是衡量光源产生视觉效能大小的一个重要指标，在照明工程中，通常希望光源有高的光视效能，当然还要考虑到光的颜色。3）发光强度(I)一光源在单位立体角dω内所发出的光通量称为该光源的光强I。发光强度是光通量的角（空间的）密度，即在一定方向上的单位立体角内所发出的光通量。常用于说明光源和灯具发出的光通量在空间各方向或选定方向上的分布密度。一个点光源所发出的光强各向相同，则总光通量：发光强度单位：坎德拉(cd)：一单位立体角内发出一流明的光称为一坎德拉。它是国际单位制中七个基本单位之一。4）发光亮度B在一个光源上取一个单元面积，从与表面法线成角的方向上去观察，在这个方向上的光强与可见的光源面积之比，定义为光源在该方向的亮度。发光体之表面d在其法线成角的方向上的亮度B等于：立体角为d光通量发光亮度的单位是cd/m2,即每平方米表面沿法线方向产生一坎德拉的光强。5）发光效率（或发光产额）

发光的过程中除了发射光子的辐射跃迁外，还存在着无辐射跃迁。两者概率的不同使材料具有不同的发光效率。发光效率是表示激发能有效的转换成光能的物理量，根据应用场合不同，有三种表示方法。亮度效率（流明效率）：是指一个光源（通常指电光源）所发出的光通量与该光源所消耗的电功率P之比。即：②能量效率：发射的光能量与吸收的激发能量之比，即③量子效率：发光物质发射的光子数N1与吸收的光子数NA之比，即量子效率与能量效率的关系：激发光的能量发射光的能量发射光的波长激发光的波长荧光粉的量子效率对了解荧光粉发光效率的极限是很重要的参考。用波长为0.2Å的光激发某种发光材料，其发光的平均波长是400nm，假定这种材料的能量效率为4％，试问这种发光材料的量子效率为多少？小练习色度学三基色原理：人眼的视网膜是由三种不同感色物质镶嵌而成的，每种感色物质的响应分别对应于蓝光、绿光和红光的特定波长。任何颜色的光都是由这三种基色合成的。如：红色+绿色+蓝色=白色红色+绿色=黄色红色+蓝色=紫色同一种颜色可以由不同的光谱分布来组成，人眼的彩色感觉是一样的。因此，颜色外貌相同的光，不管其光谱组成是否一样，只要在人眼的视觉上产生相同的效果，就可以互相代替。1）三基色原理2）色坐标根据三基色原理，要传送的大自然丰富多彩的颜色，实际可以简化为传送三基色信号，然后经组合恢复，得到与原景物等效的彩色图像，在人眼中反应出来。用表示三基色，任意颜色C可以表示为：C＝XR＋YG＋ZB

C为任意颜色,XYZ就是某一颜色的三个分量。对XYZ进行归一化处理：x,y,z就称作色坐标。由于x+y+z=1，所以如果x、y确定了，z值也就定了，因此可以用一个平面图来表示各种颜色。图中给出了各种颜色坐标图。其中，给出了各种颜色的位置，周围曲线上的坐标相当于单色光。这样任何一种颜色均可用坐标x、y来表征。3）显色性显色性是照明光源的一个重要技术指标，表示光源对于物体颜色呈现的程度，用显色指数（ColorRenderingIndex，数值0－100，单位Ra）来表示。光源的显色指数是待测光源下物体的颜色与标准参照光源下物体的颜色相符合程度的度量。显色指数越接近100Ra，显色性

越好，光源对颜色的再现越好、越自然、颜色显示越饱满，所看到的颜色也就越接近物体的自然原色，否则颜色偏差也越大。国际照明协会CIE的八种标准色样在一些行业如印染、医院、美术馆等对光源显色性要求较高。白炽灯：100卤粉荧光灯：50~80三基色荧光灯：~85全光谱三基色荧光灯：>90五基色荧光灯：>90常见光源的显色指数白炽灯的黄光(左)，可完美地展现色彩；而低压钠灯的纯黄光(右)，就无法清楚辨识各种色彩。

－如何影响色彩呈现有相同色温的光源将会显示相同的色彩，但这并不表示所看见相同色彩的物体其表面是相同的色彩。低压钠灯的纯黄光与白炽灯的黄光加黄色过滤罩，两种光源的色温上是一样的，但在白炽灯下眼睛辨识色彩效果远远高于低压钠灯，而低压钠灯是绝对无法达到白炽灯那种效果。3）显色性2.4发光材料的主要物理量和通用名词1）吸收光谱absorptionspectrum

当一束光照射到发光材料上，一部分被反射、散射，一部分透射，其他的被吸收，只有被吸收的这部分才能对发光材料的发光性能起作用。材料吸收辐射能导致电子从低能级跃迁到高能级。吸收光谱就是发光物质对光的吸收系数与波长的关系的曲线。这个特性一般只有在光致发光中才被研究。光子吸收满足如下关系：650nm833nm图中，材料对这两个波长的光有最大吸收系数，有可能采用这个波长的光去激发会产生好的发光效率发光材料的吸收光谱首先决定于基质，其次取决于激活剂和杂质，它可以是吸收带或吸收线。据发光材料的吸收光谱，我们可以了解发光中心和非辐射中心的性质，可以确定引起激发发光的波长，并决定各种波长的光被物质吸收的大小。一个有效的发光材料必须有好的吸收本领并非所有被吸收的波长都能对发光有贡献SCIENCEVOL331,2011黑色TiO2更好的光催化性能吸收光谱absorptionspectrum2）激发光谱excitationspectrum定义：指发光材料在以不同波长光的激发下，该材料的某一发光谱线或谱带的强度随激发光波长（或频率）的变化。激发光谱的横坐标是激发光的波长或频率，纵轴代表发光的相对强弱。激发光谱反映不同波长对材料激发的效果，根据激发光谱可以确定激发该发光材料使其发光所需的激发光波长范围，并可以确定某发光谱线强度最大时最佳的激发波长。Lu2SiO5:Ce的激发光谱激发谱与吸收谱的联系：材料发光首先需要有效的吸收，吸收的能量如果用于发射，则表现在激发谱上。但是有吸收，未必有发射，此时吸收谱上观察到吸收带，但激发谱中没有激发带。3）发射光谱emissionspectrum定义：物质发射光的能量按波长（或频率）的分布曲线。从发射光谱可以确定各条谱线的来源，这对研究发光中心及其在晶格中的位置很有用处。（发射光谱中的每一个峰值都对应着发光材料中的特定的分子结构）横坐标为波长，纵坐标为相对强度或光子数。通常发射光谱分为两种：带谱和线谱带谱：在一定波长范围内（几十~几百nm）发射能量连续变化。线谱：发射谱由许多很锐的谱线组成。（实际上不是绝对的线，而有一定的展宽。）主要包括三价稀土离子4f电子组态间的跃迁发射。4）颜色的单色性半宽度:光谱曲线最大强度的一半时对应的两个波长之差，定位为该光谱的谱线的宽度，常称为半宽度，也称为谱线宽度。发射光谱半宽度的大小用来衡量发射光谱谱线的宽窄程度。从材料的发射光谱来看，发射谱峰的宽窄也是发光材料的重要特性，谱峰越窄，发光材料的单色性越好，反之亦然。依照发射峰的半宽度可将发光材料还分为3种类型：宽带材料：半宽度~100nm，如CaWO4窄带材料：半宽度~50nm，如Sr(PO4)2Cl:Eu3+线谱材料：半宽度，如GdVO4:Eu3+5）发光增长激发开始到发光亮度逐渐上升，然后达到极大值的过程。6）发光衰减激发停止以后，发光亮度逐渐减弱的过程。通过发光衰减可以判断发光的中间过程，解释发光的某些现象，揭示发光的动力过程和本质。最简单发光衰减情况属于指数衰减有某一时刻t,有n个电子处于某一激发态能级，在dt时间内跃迁到基态的电子数目dn正比于ndt:衰减常数：时间之后，发光强度降低到初始强度的1/e,则=1/

即为衰减常数。某些复杂体系（如长余辉材料）的衰减可能符合双曲线形式7）余辉依发光持续时间，我们可应将发光区分为荧光和磷光：荧光(Fluorescence)：激发和发射两个过程之间的间隙极短，约<10-8秒。只要光源一离开，荧光就会消失。磷光(Phosphorescence)：在激发源离开后，发光还会持续较长的时间。在不同的应用场合对材料的余辉要求也不相同，例如在电视中所用的发光材料要求余辉短，而雷达指示管的发光材料要求余辉时间长。发光材料的一个重要特性是持续时间。余辉表示物质发光的持续时间。余辉的定义：当激发光停止时的发光亮度（或强度）J0衰减到J0的10%时，所经历的时间称为余辉时间，简称余辉。根据余辉可将发光材料分为六个范围：极短余辉<1μs短余辉1~10μs中短余辉10-2~1ms中余辉1~100ms长余辉0.1~1s极长余辉>1s2.5晶态发光体的组成和符号1、组成：晶态发光体主要由基质和激活剂组成，在某些发光体中还有共激活剂等。（1）基质：是组成发光体的主要物质，它构成晶体的点阵。能作基质的大多是碱土金属的硫化物（如CaS，SrS，ZnS，CdS）以及这些金属的硒化物、氧化物、硅酸盐、磷酸盐和硼酸盐等。单一的化合物或两个晶型相同的化合物的固溶体都可以作基质。（2）激活剂：掺入纯净基质晶体点阵中，形成缺陷成为发光中心的杂质称为激活剂。作为激活剂