Люминофоры

В зависимости от вида излучения, производимого возбужденны­ми атомами (молекулами), все материалы квантовой электроники подразделяют на две группы — материалы со спонтанным или сти­мулированным излучением с диапазоном, охватывающим ультра­фиолетовую, видимую и ближнюю инфракрасную область спектра.

Спонтанное излучение происходит в результате самопроизвольно­го перехода атома, предварительно возбужденного внешним энерге­тическим воздействием, с более высокого энергетического уровня на более низкий. При этом испускается световая энергия в виде кванта. Так как спонтанные излучения различных атомов не связаны друг с другом, поэтому этот вид излучения некогерентный и характерен для нагретых тел и люминофоров.

Стимулированное (индуцированное) излучение когерентно и лежит в основе работы квантовых генераторов — лазеров (оптический диа­пазон) и мазеров (СВЧ-диапазон). Наиболее распространенным ма­териалом для этих приборов является рубин (А1₂0₃, легированный 0,05 % Сг₂0₃).

Некогерентное световое излучение, избыточное над тепловым при той же температуре и имеющее длительность более 10~¹⁰ с, называется люминесценцией. В отличие от теплового это излучение неравновесно и возбуждается за счет любого вида энергии, кроме внутренней (тепловой). Люминесцирующие вещества представляют класс люминофоров.

Люминесценция — это последовательность двух процессов: пер­вый — поглощение энергии извне и перевод части атомов из нор­мального состояния в возбужденное; второй — возвращение системы в нормальное состояние, сопровождаемое испусканием световых квантов (фотонов). Большая заслуга в изучении люминесценции принадлежит С.И.Вавилову. По ширине запрещенной зоны (33) AW люминофоры находятся между диэлектриками и полупроводниками, поэтому в литературе часть их относится к диэлектрикам, а часть — к полупроводникам.

В зависимости от источника возбуждения (свет, электронный пучок, электрическое поле и т. д.) различают несколько видов люми­несценции и соответственно люминофоров. Люминофоры подразде­ляют на фотолюминофоры (источник возбуждения — свет), катодо- люминофоры (источник возбуждения — катодный пучок электронов), электролюминофоры (источник возбуждения — электрическое поле), радиолюминофоры (источник возбуждения — радиоактивное излуче­ние), хемилюминофоры (источник возбуждения — химические реак­ции) и т. д.

Механизм люминесценции выглядит следующим образом (рис. 7.13). Под действием внешнего источника нетеплового излуче­ния атом (или молекула) возбуждается, и его валентный электрон переходит из валентной зоны (ВЗ) в зону проводимости (ЗП) — пе­реход 1. Часть этих электронов из ЗП переходит на уровни ловушек донорной (D) примеси (переход 2), где они могут пребывать неопре­деленно долгое время. Электрон с уровня ловушки D может либо воз­вратиться в ВЗ (переход 3), либо тепловой энергией будет снова заброшен в ЗП (переход 4) с дальнейшим его переходом в ВЗ (пере­ход 5). Переходы 3 и 5 сопровождаются излучением кванта света hv (v — частота излучения, h — постоянная Планка). При переходе 5, называемом прямым переходом, излучаемая энергия равна ширине запрещенной зоны (AW), т. е. (hv)₅ = AW. При переходе 3 излучаемая энергия меньше ширины 33 материала — (^v)₃ < AW, следовательно, меньше и частота излучаемого света.

Излучение световой энергии hv также имеет место с участием ло­вушек акцепторной (А) примеси (см. рис. 7.13). Дырка из ВЗ может быть захвачена ловушкой А (переход 6) с последующим возвращени-

Дата добавления: 2015-08-09