Люминесценция (Л.) — нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения (стр. 1 )

Содержание

Введение        3

1.        Люминесценция        4

1.1. Универсальное соотношение между спектрами поглощения и люминесценции.        9

1.2.        Энергетический и квантовый выход люминесценции.        18

2.        Экситон. Автолокализованные экситоны        23

3.        Образование центров люминесценции в результате прогрева        26

Заключение        31

Список литературы        32

Введение

Люминесценция (Л.) — нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения. Явление люминесценции связано с излучательной диссипацией поглощенной веществом энергии. Процессы поглощения и люминесценции в твердых телах могут происходить внутри одних и тех же центров. В этом случае излучение возникает при переходе центра, возбужденного падающим светом, в основное состояние и потом характеризуется определенной продолжительностью, которая определяется временем жизни центра в возбужденном состояние, связанного с энергетической шириной возбужденного уровня, а также с возможными безызлучательными релаксациями. Созданное поглощенным фотоном возбуждение может также мигрировать к другому центру, где оно локализуется и приводит к акту высвечивания. Продолжительность процесса миграции связана с подвижностью возбуждения.

  Большинство возбуждений, возникающих при облучении фотонами, образуется в электронной подсистеме твердых тел. Однако кроме чисто  электронных существуют более сложные типы возбуждений, например экситоны – связаннее электронно-дырочные пары. Составляющая экситон дырка находится у поверхности валентной зоны, а электрон – в запрещенной зоне недалеко от дна зоны проводимости.  В связи с тем, что электрон экситона нельзя считать свободным, электрон обладает дискретным набором энергетических состояний. Свободные экситоны обладают высокой подвижностью и могут переносить энергию по всему кристаллу активно участвуя в процессах люминесценции. Их релаксация сопровождается испусканием кванта света или оже-электрона.

  Поскольку неподвижный свободный экситон претерпевает быстрый распад, для продолжительного существования неподвижного экситона необходимо его взаимодействие с решеткой кристалла. Среди экситонов особое внимание уделим неподвижным авто локализованным экситонам(АЛЭ) (см.2.Экситоны. Автолокализованные экситоны). В образовании АЛЭ принимают участие ионы твердого тела, и потому АЛЭ не является свободной частицей. В щелочно-галойдных кристаллах АЛЭ представляет собой молекулярный ион галоида, захвативший электрон.

  Таким образом, АЛЭ следует рассматривать, скорее, не как возбуждение электронной структуры вещества, но как ионное возбуждение, захватившее электрон. По конфигурации связи электрона различают у - и р - экситоны. Особенность АЛЭ заключается  в том, что их распад может сопровождаться дефектом решетки по под пороговому механизму.

Люминесценция

  Под люминесценцией подразумевается, по­глощение веществом энергии и ее последующее испускание в виде излучения в видимой области спектра или близкой к ней. Начальное возбуждение может быть вызвано облучением све­том, бомбардировкой электронами или положительными ионами, механическими деформациями, химическими воздействиями или нагреванием.

Если излучение происходит уже во время возбуждения иль в пределах менее 10-8 сек после возбуждения, то такое явление называют обычно флуоресценцией. Интервал, равный 10-8 сек, выбран потому, что по порядку величины он соответствует вре­мени жизни возбужденных атомных состояний, которые связаны с разрешенными электрическими дипольными переходами, об­условливающими излучение в видимой области спектра.

Если испускание света прекращается спустя некоторое время после возбуждения, то процесс называется фосфоресценцией или послесвечением. Порядок величины периода послесвечения может быть весьма различным: от 10-6 сек до нескольких часов.

Твердые кристаллические вещества, обладающие люминес­центными свойствами, называют обычно Люминофорами.

Большинство твердых тел, обладающих люминесцентными свойствами, проявляет их очень слабо, так как доля переходя­щей в излучение энергии, ранее поглощенной телом в той или иной форме, очень мала. Способность данного вещества к эф­фективной люминесценции связана чаще всего с наличием акти­ваторов — ионов, которые присутствуют в кристалле в виде спе­циальных примесей, обычно в очень небольшом количестве. Кристаллы, обладающие люминесцентными свойствами, можно раз­делить на два класса: первый — фотопроводники, типичным примером которых служит сернистый цинк (ZnS), активирован­ный медью, и второй — кристаллы, в которых процессы люми­несценции не связаны с возможным наличием фотопроводи­мости.

Люминофоры на основе галогенидов щелочных металлов были тщательно иссле­дованы; они могут служить хорошим примером люминофоров, не обладающих фотопроводимостью. люминофор KCl: Т1 представляет собой ионную решетку, в которой приблизительно 0,01% или менее узлов, занятых в чистом KCl ионами К+, занимают иони Т1+. Оптическое поглощение чистых кристаллов KCl (рис. 1) начинается при 1650и простирается далее в область более ко­ротких длин волн. Введение ионов таллия приводит к образо­ванию двух полос поглощения с центрами при 1960 и 2490 (соответствующие кривые для интенсивности имеют обычную колоколообразную форму); кроме того, появляется еще широкая полоса испускания с центром примерно при 3050. Все эти по­лосы связаны с возбужденными состояниями ионов таллия.

Основное состояние иона Т1+ есть состояние при элек­тронной конфигурации(спины двух s-электронов антипараллельны).

Наинизшими возбужденными состояниями, связан­ными с конфигурацией, являются (см. рис. 2), и, причем энергетический интервал между соседними со­стояниями — порядка 1 эВ. Спектроскопическое правило отбора для переходов между состояниями сиуказывает,

Рис. 1. Основной уровень и самые нижние возбужденные уровни свободного иона

Рис. 2. Два энергетических уров­ня ионав решетке КС1 в зависи­мости от конфигурационной коорди­наты (см. сноску к тексту). Ион тал­лия в основном состояния обладает энергией, отвечающей на графике точ­ке, близкой к А, с некоторым разбро­сом в районе этой точки, обусловлен­ным тепловым движением решетки.

при облучении кристалла светом с длиной волны, близкой к 2490, ион таллия может перейти в возбужден­ное состояние (переход ). Со­гласно принципу Франка — Копдона этот переход происходит при ионной конфигурации, характерной для основного состояния, поэтому погло­щение света происходит, по-видимо­му, именно при переходе, а не . После перехода ион­ная конфигурация несколько изменя­ется из-за смещения соседних с тал­лием ионов хлора, и в конце концов система переходит в состояние С, отвечающее минимуму энергии. Раз­ность энергий между В и С рассеи­вается, переходя в энергию колеба­ний решетки. В состоянии С система излучает свет (полоса пропускания с центром при 3050 !, переходя при этом в состояние Л. Затем, постепен­но отдавая энергию решетке, система переходит в равновесное положе­ние. что переход запрещен, а переход исключается общим правилом отбора. Правило отбора является не очень эффективным, поэтому имеют место переходы и, которые происходят со сравнимой частотой. Первый приводит к образованию полосы погло­щения с максимумом при 2490, второй — полосы поглощения с максимумом при 1960 Полоса испускания при 3050свя­зана с обратным переходом(см. рис. 2).