Люминесценция твёрдых тел

Люминесценция (в переводе с латинского — свет, обладающий слабым действием), согласно определению академика С.И. Вавилова, представляет собой свечение, избыточное над тепловым излучением тела, если это избыточное излучение продолжается после прекращения возбуждения в течение времени, превышающего период световой волны (t_c»10^{-14 _C}). Первая часть этого определения отделяет люминесценцию от теплового равновесного излучения тела и позволяет отнести ее к неравновесным процессам. Вторая часть выделяет люминесценцию среди других видов неравновесного излучения, таких как отражение и рассеяние света, тормозное излучение и т.д., которые практически безынерционны.

Твердые и жидкие вещества, способные люминесцировать под действием различного рода возбуждений, получили название люминофоров. Неорганические люминофоры часто называют фосфорами, а в случае, если они имеют кристаллическую структуру — кристаллофосфорами. В зависимости от вида возбуждения люминофора различают: фотолюминесценцию, возникающую в результате поглощения света; катодо-, рентгено - и радиолюминесценцию, возбуждаемую соответственно ускоренным потоком электронов, рентгеновским излучением, a и b частицами, протонами, осколками ядерного деления; электролюминесценцию, вызываемую электрическим полем; хеми- и биолюминесценцию, при которых излучение света сопровождает химическую реакцию.

Рис.15.1

На рис. 14.1 приводилась схема электронных переходов, происходящих при поглощении энергии в полупроводниках и диэлектриках. Практически все обратные переходы, при которых энергия электронов уменьшается, могут сопровождаться излучением в той или иной спектральной области. Используя полупроводники и диэлектрики с различной шириной запрещенной зоны, и различными точечными дефектами, можно получить люминесценцию во всем видимом и ближнем ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, рис.15.1.

Основные закономерности излучательной рекомбинации носителей заряда определяются законами сохранения энергии и импульса, поэтому энергия квантов люминесценции может соответствовать разнице энергетических уровней электрона до и после соответствующего излучательного перехода или отличается от нее на энергию рожденных в процессе рекомбинации фононов. Показательной в этом плане является экситонная люминесценция (аннигиляция), которая может быть как бесфононной, когда энергия и импульс экситона полностью передаются фотону, так и многофононной, то есть с одновременным испусканием фононов, рис. 15.1(2). Любопытно, что при многофононном исчезновении экситонов, в спектрах излучения непосредственно проявляется кинетическая энергия экситонов (обычное максвелловское распределение квазичастиц по кинетическим энергиям).

Возможна ситуация, когда вся энергия, выделенная при электронных переходах преобразуется в тепло (образование фононов), такие переходы называются безызлучательными и условно показаны на рис.15.1 штриховыми линиями. Точечные дефекты, участвующие в таких переходах, называются центрами тушения, точечные дефекты, задающие излучательные переходы — центрами свечения. Если в излучательных переходах участвует хотя бы одна из зон, то соответствующую люминесценцию называют рекомбинационной. Переход электрона 6 (рис.15.1) с возбужденного на основной уровень происходит в пределах определенного точечного центра свечения, и соответствующую люминесценцию называют внутрицентровой.

Важной характеристикой люминесценции является спектр излучения, который чаще всего изображается в виде кривых зависимости яркости люминесценции L от энергии квантов hν (или от l). Типичный спектр люминесценции, отражающий основные электронные переходы показан на рис. 15.1. Он зависит от типа люминофора и структуры точечных дефектов, интенсивности и длины волны возбуждающего излучения, от температуры образца и ряда других причин, являясь прекрасным датчиком информации.

Рис.15.2

Согласно правилу Стокса, максимум в спектре люминесценции смещен по отношению к соответствующему максимуму в спектре поглощения в сторону длинных волн (l = с/n), например, рис. 15.2.

Это обстоятельство связано с наличием так называемых “стоксовых” потерь, так как часть поглощаемой люминофором энергии рассеивается в кристаллической решетке, переходя в тепло. Для понимания “стоксовых” потерь полезно рассмотреть модель конфигурационных кривых, рис. 15.3.

Рис.15.3

Конфигурационные кривые представляют собой зависимость потенциальной энергии основного 1 и возбужденного 2 уровней иона примеси (расположенных в запрещенной зоне кристалла) от конфигурационной координаты r. Конфигурационная координата соответствует расстоянию данного иона от окружающих его ионов решетки, которое меняется при переходе электрона с основного на возбужденный энергетический уровень центра. Этим объясняется, что средняя энергия излучаемых фотонов (CD) меньше средней энергии (AB) поглощаемых фотонов.

Температурная зависимость яркости люминесценции (рис. 15.3,б) обычно хорошо описывается формулой (L - яркость при T =OK):

L(T)=L₀ [1+const×exp(- )]^-1, (15.1)

которая соответствует зависимости квантового выхода процесса излучения h_и (отношение числа испущенных фотонов к числу созданных за это же время в результате возбуждения носителей заряда или электронно-дырочных пар):

h_и = = , (15.2)

где R_и и R_б - скорость соответственно излучательной и безызлучательной рекомбинации.

В случае рекомбинационной люминесценции причиной подобного температурного тушения может быть, например, тепловой заброс электронов из валентной зоны на уровни центров свечения (переход обратный переходу 4 на рис. 15.1), приводящий к уменьшению числа рекомбинаций на этих центрах (переход 3 на рис. 15.1), соответственно, к увеличению числа безызлучательных переходов через другие уровни (внешнее тушение). Возможно и внутреннее тушение, когда внутри центра свечения электрон после возбуждения (переход АВ; рис. 15.3,а) может вернуться на основной уровень не только излучательным путем СD, но и через точку F с последующим этапом FA, при котором происходит уменьшение энергии электрона вследствие генерации фононов.

При внутрицентровом тушении величина Е_T в формулах 15.1 и 15.2 имеет смысл энергетического расстояния от точки С до точки F на рис. 15.3, при внешнем тушении обычно представляет собой энергетическое расстояние от уровня центра свечения до зоны, взаимодействие с которой приводит к тушению.

Послесвечение. Вследствие конечной длительности пребывания системы в возбужденном состоянии люминесценция не исчезает мгновенно после прекращения возбуждения, а затухает с определенной скоростью, задавая так называемое послесвечение. Кроме того, энергетическое положение и конфигурация точечных дефектов могут оказаться такими, что свободные носители, захваченные ловушками сохраняются на них длительное время (например, переход 11 на рис 15.1). Освобожденные через некоторое время (переход 12) эти носители могут участвовать в излучательной рекомбинации с центрами свечения, что создает послесвечение люминофора (послесвечение экрана телевизора или дисплея). В зависимости от механизма люминесценции время послесвечения может измеряться в пикосекундах или длиться часами.

Термовысвечивание. Стимулировать процесс освобождения захваченных носителей заряда из ловушек может повышение температуры кристалла. Начинающееся при определенной температуре свечение образца, вызванное рекомбинацией освобожденных носителей, называется термовысвечиванием. Для его появления всегда необходимо предварительное возбуждение образца (светом, электронным пучком, a-, b-, g-излучением и т.п.) при более низких температурах, способствующих захвату и сохранению избыточных носителей на ловушках.

Запасание определенной светосуммы, зависящей от уровня предварительного возбуждения кристалла, лежит в основе работы термолюминесцентных дозиметров ионизирующего излучения и разнообразных ячеек памяти. В последнем случае освобождение ловушек часто проводят светом или электрическим полем. Термовысвечивание природных люминофоров используют для анализа разнообразных событий в археологии.

Спектральный состав люминесценции (её механизм) может существенным образом зависеть от уровня и частоты возбуждающего сигнала, что лежит в основе управления различными процессами или, наоборот, является вредным фактором при применении люминесцентных приборов.

Поиск по сайту: