Физика/1.Теоретическая физика

Войтович П.О.

Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф.Ушакова,

Россия

Люминесценция твердых тел

В природе существует излучение, отличное, по своему характеру от других видов излучения. Этим излучением является люминесцентное излучение, примерами которого может служить свечение тел при облучении видимым, ультрафиолетовым светом и рентгеновскими излучением. Вещества способные под действием различного рода возбуждений светится, получили название люминофоров. Люминесценция есть неравновесное излучение избыточное при данной температуре над тепловым излучением тела и имеющие большую длительность.

Первая часть этого определения приводит к выводу, что люминесценция не является тепловым излучением, поскольку любое тело при температуре выше 0 К излучает электромагнитные волны, а такое излучение является тепловым. Вторая часть показывает, что люминесценция не является таким видом свечения, как отражение и рассеяние света, тормозное излучение заряженных частиц.

Период световых колебаний составляет примерно 10^–15 с, поэтому длительность, по которой свечение можно отнести к люминесценции, больше — примерно 10^–10 с. Признак длительности свечения дает возможность отличить люминесценцию от других неравновесных процессов. Так, по этому признаку удалось установить, что излучение Вавилова - Черенкова нельзя отнести к люминесценции.

Виды люминесценции отличаются: по способу возбуждению. К ним относятся:

1. фотолюминесценции возбуждение под действием света;

2. рентгенлюминесценция возбуждение под действием рентгеновского излучения;

3. катодолюминесценция возбуждение под действием катодов;

4. электролюминесценция возбуждение под действием электрического поля;

5. радиолюминесценция возбуждение ядерным излучением;

6. хемилюминесценция возбуждение при химических превращениях;

7. триболюминесценция возбуждение при растирании и раскалывании некоторых кристаллов.

По длительности виды люминесценции отличаются:

Флуоресценция Tсвеч = ; неравновесное излучение; тепловое излучение;

Фосфоресценция Свечение продолжающееся; заметный промежуток времени после прекращения. возбуждения; тело в неизотермических системах

Первое количественное исследование провёл Джорд Стокс, сформулировав в 1852 г. Следующее правило: длина волны люминесцентного излучения всегда больше длины волны света, возбудившего его.

hn=hn+ΔE

Рисунок 1 Рисунок 2

Основной энергетической характеристикой является энергетический выход, ведённый Вавиловым в 1924 году. Это отношение энергии, излучаемой люминофором при полном высвечивании к энергии поглощаемой им.

Типичная для органических люминофоров зависимость от энергетического выхода h от длины волны l возбуждающего света представлена на Рисунке 2. Из рисунка следует, что в начале, энергетический выход увеличивается с возрастанием волны, пропорционально длине, а при достижении максимума быстро уменьшается до нуля при дальнейшем увеличении l длины волны.

Твёрдые тела, представляющие собой эффективно люминесцирующие, искусственно приготовленные кристаллы с чужеродными примесями, называются кристаллофорами.

Рассмотрим на их примере механизм возникновения люминесценции с точки зрения зонной теории твёрдых тел. Между валентной зоной и зоной проводимости кристаллофора располагается примесные уровни. Когда атом поглощает активатор с энергией hn, электрон с примесного уровня переводится в зону проводимости, свободно перемещается по кристаллу до тех пор, пока не встретится с ионом активатора и не рекомбинируется с ним, перейдя вновь на примесный уровень. Рекомбинация сопровождается выделением кванта люминесценции. Время высвечивания люминофора определяется временем жизни возбуждаемого состояния атома-активатора, которое (»). Поэтому свечение является кратковременным, и исчезает сразу после прекращения возбуждения.

Для возникновения длительного свечения, фосфорецируемый кристаллофор должен содержать центры захвата для электронов, представляющих собой незаполненные локальные уровни, лежащих вблизи дна зоны проводимости. Эти «ловушки», образованы атомами примесей. Под действием света, атомы-активаторы возбуждаются, то есть, электроны переходят с примесных уровней в зону проводимости и становятся свободными. Однако, они захватываются «ловушками», в результате не могут двигаться и рекомбинироваться. Освобождение электронов требует энергии, в следствии, процесс продолжается дальше, поэтому, вещество светится дольше.

Научный руководитель: к.п.н., доцент С.А. Мищик

ЛИТЕРАТУРА:

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. — М.: Высшая школа, 1991.— С. 53.

2. Лифшиц И. М., Азбель М. Я., Каганов М. И., Электронная теория металлов, 1971г.— С.157-163.