В зависимости от вида возбуждения люминофора различают: фотолюминесценцию, возникающую в результате поглощения света; катодо-, рентгено- и радиолюминесценцию, возбуждаемую соответственно потоком быстрых электронов, рентгеновским излучением, a- и b-частицами, протонами, осколками ядерного деления; электролюминесценцию, возбуждаемую электрическим полем; хеми- и биолюминесценцию, при которых излучение света сопровождает химическую реакцию.
Люминофоры уже давно используются для приготовления светящихся составов, которыми покрываются различные опознавательные знаки; для изготовления ламп дневного света, экранов электроннолучевых приборов; применяются в телевизорах, осциллографах, электронных микроскопах и в рентгенотехнике. В последние годы, особенно в связи с разработкой полупроводниковых лазеров, область применения люминофоров существенно расширилась. Они стали применяться в вычислительной технике, системах передачи информации, а также в системах локации и автоматики на железнодорожном транспорте.
Теоретической основой
современных представлений о механизме люминесценции кристаллофосфоров служит
зонная теория твердых тел. В основе теории лежит энергетическая модель люминесцирующего
кристалла. На рис. 1 схематически представлен энергетический спектр электрона в
кристаллической решетке, имеющей какие-либо дефекты.
Состояния, принадлежащие зонам энергии (зона проводимости и валентная зона), связаны с основным веществом кристалла. Внедрение примесей в кристаллическую решетку основания люминофора либо присутствие в ней собственных дефектов вызывает появление локальных энергетических уровней внутри запрещенной зоны.
В зависимости от типа внутренних дефектов в кристаллофосфоре и от температуры среды можно рассмотреть различные процессы возбуждения (генерации) свободных носителей заряда. Например, тепловая генерация электронов из валентной зоны в зону проводимости (переход 1, что ведет к появлению свободных электронов в зоне проводимости и вакантных мест (дырок) в валентной зоне; ионизация примесных центров (переход 2), и т. д. Одновременно с генерацией возникает обратный процесс рекомбинации. Он заключается в том, что свободный электрон при встрече с дыркой занимает вакантное место (например, переход 3), либо наблюдается воссоединение свободного носителя с ионизированным примесным центром (переход 4).
При любой температуре между процессом тепловой генерации носителей и процессом их рекомбинации устанавливается равновесие, которому соответствует равновесная концентрация носителей. Такие носители называются равновесными.
Кроме теплового возбуждения возможны и другие способы генерации свободных носителей в кристаллах: под действием света, ионизирующих частиц и т. д., что также может привести к электронным переходам типа 1, 2, 5, 6, 7, 8 (см. рис. 1). При световой генерации электронов из валентной зоны в зону проводимости через промежуточные состояния в запрещенной зоне в зависимости от энергетического положения этих состояний и температуры люминофора один из переходов может быть оптическим, а другой термическим (например, переходы 5, 7 – оптические; переходы 6, 8 – термические).
Появляющиеся дополнительно против равновесной концентрации свободные носители называются неравновесными. Созданные, например, при поглощении света неравновесные носители заряда первоначально могут иметь кинетическую энергию, значительно превышающую среднюю тепловую энергию равновесных частиц. Однако, в результате рассеяния на дефектах кристаллической решетки неравновесные носители заряда быстро (примерно за 10-10 с) передают ей свою избыточную энергию, поэтому распределение по энергиям неравновесных и равновесных носителей заряда будет на энергетической схеме одинаковым. Этот процесс сводится к тому, что неравновесные электроны, рассеивая свою избыточную энергию, как бы «опускаются» на дно зоны проводимости, а неравновесные дырки, рассеивая избыточную энергию, «поднимаются» к верхнему краю валентной зоны.
Свободные электроны непрерывно участвуют в процессе рекомбинации либо с ионизированным центром (переход 4, см. рис. 1), либо с дырками валентной зоны. Последний процесс может протекать или непосредственно через всю запрещенную зону (переход 3), или сначала электрон переходит на примесный уровень (переход 9), а затем с примесного уровня в валентную зону (переход 10). Могут наблюдаться случаи, когда первым имеет место электронный переход 10, а затем 9.
Выделение энергии может происходить или в виде кванта света, или в виде тепла (фононов). В первом случае рекомбинацию называют излучательной, во втором – безызлучательной.
Рассмотренная зонная модель люминофора (см. рис. 1) не учитывает колебательных движений атомов или ионов, поэтому с ее помощью нельзя показать безызлучательные переходы.
Излучательная рекомбинация рассмотренного выше типа называется рекомбинационной люминесценцией. Может возникнуть и другая ситуация. Если при введении примеси образуется центр, у которого имеется не только локальный уровень, занятый электроном (основной уровень), но и локальный возбужденный уровень, то поглощение возбуждающего света переведет электрон с основного уровня на возбужденный (переход 11), а возвращение электрона в нормальное положение будет сопровождаться излучением (переход 12). Такую люминесценцию называют внутрицентровой. Примеси, создающие центры свечения того или иного типа, называются активаторами. Обычно излучение в видимой области спектра происходит при переходах типа 9 или 12 (см. рис. 1).
В данной лабораторной работе используется люминофор, который в невозбужденном состоянии является почти изолятором, имеющим один тип центров свечения, на которых может происходить излучательная рекомбинация. При этом применяется световое возбуждение с энергией квантов, недостаточной для перехода электронов из зоны в зону (переход 1), поэтому следует ожидать возбуждение типа перехода 2 или 11.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.