页数：78页文件大小：7.63 MB来源： 功能材料及其应用ppt课件
本课件按激发方式把发光材料分为光致、电致、阴极射线致等类型，先讲材料发光的激发、能量传输与复合发光机理，再分别说明各类发光材料的发光过程、效率影响因素与显示照明应用。
一、材料的发光机理1.分立中心发光发光中心：发光体内部在结构中能发光的分子。分立中心发光：发光材料的发光中心受激发时并未离化，即激发和发射过程发生在彼此独立的、个别的发光中心内部的发光。
这种发光是单分子过程，并不伴随有光电导，故又称为“非光电导型”的发光。分立中心发光有自发发光和受迫发光两种。
一、材料的发光机理1.分立中心发光（l）自发发光受激发的粒子如电子，受粒子内部电场作用从激发态A而回到基态G时的发光，叫自发发光。发光的特征：与发射相应的电子跃迁的几率基本上决定于发射体内的内部电场，不受外界因素的影响。
一、材料的发光机理1.分立中心发光（2）受迫发光发光特征：发射过程分为两个阶段。受激发的电子出现在受激态M上时，从状态M直接回到基态G上是禁阻的。
在M上的电子，一般也不是直接从基态G上跃迁来的，而是电子受激后，先由基态G跃迁到A，再到M态上，M这样的受激态称为亚稳态。
一、材料的发光机理1.分立中心发光（2）受迫发光§9.1材料的发光机理受迫发射的第二阶段：电子从A态回到G态是允许的，这个过程发射光子。受迫发光要经过亚稳态，又称为亚稳态发光。
一、材料的发光机理2.复合发光发光材料受激发时分离出一对带异号电荷的粒子，一般为正离子（空穴）和电子，这两种粒子在复合时便发光，叫复合发光。离化的带电粒子在发光材料中漂移或扩散，从而构成特征性光电导，所以复合发光又叫“光电导型”发光。
如铜和银激活的硫化锌（ZnS·Cu和ZnS·Ag）是典型的“光电导型”磷光体。短复合发光过程：复合发光在一个发光中心上直接进行。
电子脱离发光中心后，又回来与原来的发光中心复合而发光，呈单分子过程，电子在导带中停留的时间较短，不超过10-10s。
长复合发光过程：大部分复合发光是电子脱离原来的发光中心后，在运动中遇到其他离化了的发光中心复合发光，呈双分子过程，电子在导带中停留的时间较长。
二、发光材料的发光特征1.颜色特征不同的发光材料有不同的发光颜色。已有发光材料的种类很多，发光的颜色足可覆盖整个可见光的范围。
材料的发光光谱（又称发射光谱）分为三种类型：宽带：半宽度～100nm，如CaW04；窄带：半宽度～5Onm，如Sr(P04)3Cl:Eu3+；线谱：半宽度～O.1nm，如GdV04:Eu3+。
究竟一个材料的发光光谱属于哪一类，与基质有关，也与杂质有关。随着基质的改变，发光的颜色也可改变。
二、发光材料的发光特征2.发光强度特征发光强度是随激发强度而变的，通常用发光效率来表征材料的发光本领。发光效率有三种表示方法：量子效率、能量效率及光度效率，发光效率也同激发强度有关。量子效率：发光的量子数与激发源输入的量子数的比值。
能量效率：发光的能量与激发源输入的能量的比值。流明效率：发光的流明数与激发源输入的能量的比值（lm/W）。
二、发光材料的发光特征2.发光强度特征在光激发的情况下，发光材料的量子效率可高达90％以上。有的器件效率很高，但亮度不大，这是因为输入的能量受到限制。3.发光持续时间特征最初的发光分为荧光及磷光两种。荧光：在激发时发出的光。
磷光：在激发停止后发出的光。瞬态光谱技术的发展，现在对荧光和磷光不严格区别。荧光和磷光的时间界限不清楚。但必须指出，发光总是延迟于激发的。
二、发光材料的发光特征3.发光持续时间特征余辉时间发光的衰减规律常常很复杂，很难用一个反映衰减规律的参数来表示，所以在应用中就硬性规定当激发停止时的发光亮度L衰减到Lo的10%时，所经历的时间为余辉时间，简称余辉。
如人眼能感觉到余辉的长发光期间者为磷光，人眼感觉不到余辉的短发光期间者为荧光。现在，根据余辉时间的长短，可以划分六个范围
一、荧光材料荧光效率是荧光材料的重要特征值之一。通常，荧光材料的分子并不能将全部吸收的光都转变为荧光，总是或多或少地以其他形式释放出来。吸收光转变为荧光的百分数称为荧光效率。实际上，荧光效率总是小于1。
一、荧光材料在无干扰的理想情况下，材料的发射光量子数等于吸收光量子数，即荧光效率为1。荧光效率与激发光波长无关。在材料的整个分子吸收光谱带中，荧光发射对吸收的关系都是相同的。各波长的吸收与发射之比为一常数。
一、荧光材料荧光强度和激发光强度关系密切。在一定范围内，激发光越强，荧光也越强。荧光强度等于吸收光强度乘以荧光效率。光的吸收和荧光发射均与材料的分子结构有关。材料吸收光除了可以转变为荧光外，还可以转变为其他形式的能量。
一、荧光材料产生荧光最重要条件：分子必须在激发态有一定的稳定性，能够持续约10-8s的时间。多数分子不具备这一条件，在荧光发射以前就以其他形式释放了所吸收的能量。只有具备共轭键系统的分子才能使激发态保持相对稳定而发射荧光。
一、荧光材料荧光材料主要是以苯环为基的芳香族化合物和杂环化合物。例如：酚、蒽、荧光素、罗达明、9-氢基吖啶、荧光染料以及某些液晶。荧光材料的荧光效率除了与结构有关外，还与溶剂有关。
二、磷光材料具有缺陷的某些复杂的无机晶体物质，在光激发时和光激发停止后一定时间内（＞10-8s）能够发光，这些晶体称为磷光材料。磷光材料的组成：磷光材料的主要组成部分是基质和激活剂两部分。
二、磷光材料基质：用作基质的有第Ⅱ族金属的硫化物、氧化物、硒化物、氟化物、磷酸盐、硅酸盐和钨酸盐等，如ZnS、BaS、CaS、CaW03、Y3Si03、Ca3(P04)2、Zn-Si03。激活剂：用来作激活剂的是重金属。
所用的激活剂可以作为选定的基质的特征。不是所有的重金属都可以用来激活选定的基质。例如：对ZnS、CdS而言，Ag、Cu、Mn是最好的激活剂。
二、磷光材料1、卤磷酸盐系列的荧光粉碱金属一般是钙，但锶也可代替一部分。发光的颜色可以通过改变其基体中所含的氟氯比例或调整锰的浓度来控制。卤磷酸盐荧光粉转换紫外线为可见光的效率较高，在长时期内能维持其发光特性。
另外，也更易制成灯用涂层所需的细颗粒，毒性比较小。卤磷酸盐荧光粉的问题是光效和光色不能同时兼顾。
二、磷光材料2、稀土三基色荧光粉（1）红粉在提高材料性能上，加入一定量的La、Gd、Ta、Nb等元素，或者氧化物（如In2O3、GeO2等）可提高其发光亮度和稳定性。加入一定量的硼酸盐，在降低材料的烧结温度条件下，仍可使材料的发光亮度提高。
在新的红粉探索研究上有：YVPO4·BO3:Eu3+、InYBO3:Eu3+、LaMgB5O10:Eu3+、LaSiO3·(FCl):Eu3+、Ba2(Gd2-xYx)(Si4-yGey)O13:Eu3+等。
二、磷光材料2、稀土三基色荧光粉（2）绿粉绿粉在稀土三基色荧光粉中，对灯的光通量、显色性等起主要作用。
这类材料品种最多，有MgAl11019:Ce3+、Tb3+，Y2SiO4:Ce3+、Tb3+，LaPO4:Ce3+、Tb3+和GdMgB5010:Tb3+、Tb3+等。
上述各体系均是Ce-Tb共激活的绿色材料，发光都是由Tb3+的5D4－7F5跃迁所引起的，主要发光谱线为5D4－7F5跃迁对应的543nm线。
二、磷光材料2、稀土三基色荧光粉（3）蓝粉稀土三基色荧光粉的蓝色组分，已实用的有铝酸盐体系和卤磷酸盐体系。
如SrlO(PO4)6Cl2:Eu2+，(SrCa)10(PO4)6C12:Eu2+和(SrCaBa)10(PO4)6Cl:Eu2+等。蓝粉中Eu2+的发光属于4fn-4fn-15d跃迁，其发光峰值明显地依赖于基质的改变。
三、上转换发光材料1、三种上转换发光现象第二种情况是中间能级并不存在，但发光体可以连续吸收两个光子，使基态电子直接跃迁到比激发光光子的能量大得更多的能级。
第三种情况是两个敏化中心被激发，激发能按先后顺序或同时传递给发光中心，使其中处于基态的电子跃迁到比激发光光子能量更高的能级，然后弛豫下来，发出波长短得多的光。
三、上转换发光材料2、常见上转换发光材料上转换发光材料差不多都是掺稀土元素的化合物或者就是稀土元素的化合物，均由稀土离子激活，其中以Yb3+－Er3+最为常见。
可吸收红外光而发出红光的典型发光材料有：YOCl:Yb3+、Er3+，Y2O3:Yb3+、Er3+，Y3Ocl7:Yb、Er3+，La4Ga2O2:Yb、Er。
发绿光的材料有：LaF3:Yb、Er，YF3:Yb、Er，BaYF5:Yb、Er，La4Ga2O2:Yb、Ho，Na（T、Gd、La）F:Yb、Er。此外，也有发蓝光及发黄光的材料。
四、光致发光材料的应用光致发光材料主要用于显示、显像、照明及日常生活中。在日常生活用品中，如洗涤增白剂、荧光涂料、荧光化妆品、荧光染料等都使用了荧光材料。一些灯用荧光粉材料都属于磷光材料，用它可制成高光效和高显色性的荧光灯。
上转换发光材料可直接显示红外光，例如显示红外激光的光场，已在1.06μm激光显示和0.9μm半导体激光显示中获得广泛应用。也可以涂在发红外光的二极管上，如GaAs，把它的发光变成可见光。
电致发光：在直流或交流电场作用下，依靠电流和电场的激发使材料发光的现象，又称场致发光。这种发光材料称为电致发光材料或场致发光材料。一、电致发光机理电致发光机理分为本征式和注入式两种。
1.本征式场致发光本征式场致发光是用电场直接激励电子，电场反向后电子与中心（空穴）复合而发光的现象。
一、电致发光机理2.注入式场致发光注入式场致发光是由Ⅱ-Ⅳ族和Ⅲ-Ⅴ族化合物所制成的有p-n结的二极管，注入载流子，然后在正向电压下，电子和空穴分别由n区和p区注入到结区并相互复合而发光的现象，又称p-n结电致发光。
p型半导体和n型半导体接触时，在界面上形成p-n结。
发光二极管的基本结构2025/4/1球透镜环氧树脂P层有源层N层发光区(a)正面发光型微透镜P型限制层有源层波导层N型限制层(b)侧面发光型
2025/4/1
一、电致发光机理2.注入式场致发光电子和空穴的扩散作用，在p-n结接触面两侧形成空间电荷区－耗尽层，形成一个势垒，阻碍电子和空穴的扩散。n区的电子到p区必须越过势垒。空穴从p区到n区也要越过势垒。
一、电致发光机理2.注入式场致发光当在p-n结施加正向电压时，会使势垒高度降低，耗尽层减薄，能量较大的电子和空穴分别注入到p区或n区，同p区的空穴和n区的电子复合，同时以光的形式辐射出多余的能量。
辐射复合可以发生在导带与满带之间，也可发生在杂质能级上。
二、电致发光材料的发光特性1.发光亮度L在使用电致发光材料时，最主要的依据是发光亮度随电压的变化规律。电致发光的发光亮度L随电压V的增加而急剧增高，随后趋于饱和。
实验证明，在音频范围，亮度与电压的关系为：L=L0exp[-（V0/V）]L－发光亮度(cd/m2)；V－外加电压；Lo、Vo―与激励条件、发光单元结构和发光材料等有关的常数。
二、电致发光材料的发光特性2.发光效率发光过程本身的量子效率被称为内量子效率ηint，在实用上是一个很重要的参量。内量子效率表示出辐射跃迁是否能很好地竞争过无辐射复合。辐射复合几率Pr与辐射寿命τr的关系:Pr=1/τr
二、电致发光材料的发光特性2.发光效率§9.3电致发光材料当考虑吸收、反射等因素时，外量子效率ηex可表示为：ηex=ηint(1-R)(1-cosθc)exp(-ad)R－反射系数；θc－临界角，典型值在16°～23°范围内；α－吸收系数；d－发光在达到器件表面通过的距离。
例如：在实际的发光二极管中ηint可以接近100%，但ηex通常不到百分之几。只有当τnr＞＞τr，即无辐射复合几率远远小于辐射复合几率时，才能获得有效的光子发射。
在实际的器件中，由于种种损失，如吸收、反射等，它们会影响光从器件内部往外透射，总的效率也称外量子效率将进一步降低。
三、电致发光材料种类1.直流电压激发下的粉末发光材料直流场致发光材料实际上是一个可以传导电流的半导体，其中掺铜量较高，一般在10-3g/g。另外，要使这些材料具有很好的发光特性，还需经过包铜工艺处理。
包铜工艺就是将已经焙烧好的材料包上一层铜，它的化学成分可表示为CuxS。
三、电致发光材料种类1.直流电压激发下的粉末发光材料常用的直流场致发光粉末材料有ZnS:Mn、Cu，亮度约350cd/m2；流明效率为0.5lm/W。
其他如ZnS:Ag可以发出蓝光；(Zn、Cd)S:Ag可以发出绿光，换一下化学配比(Zn、Cd)S:Ag可以发出红光。它们都是在约100V电压下激发，给出约70cd/m2的亮度。另外，还有一些在CaS,SrS等基质中掺杂稀土元素的材料。
三、电致发光材料种类2.交流电压激发下的粉末发光材料与直流电压激发下的发光材料相比，交流电压激发下的发光材料有较高的流明效率（约为15lm/W），应用更为普遍。
常用的交流粉末场致发光材料以ZnS系列为代表，将ZnS粉末掺入铜氯、铜锰、铜铅、铜等激活剂后，与介电常数很高的有机介质（如氰基纤维素、环氧树脂和氧乙基糖的混合物等）相混合后制成。这些材料可发出红、橙、黄、绿、蓝等各种颜色的光。
三、电致发光材料种类3.薄膜型电致发光材料薄膜型电致发光材料的机理和粉末材料中的过程一样，只是它不需要介质，而且可以在高频电压下工作，发光亮度很高，发光效率也可达到几个流明每瓦。
三、电致发光材料种类3.薄膜型电致发光材料薄膜型交流电致发光器件多采用双绝缘层ZnS:Mn薄膜结构。器件由三层组成，旦发光层被夹在两绝缘层之间，这样消除了不希望有的漏电流，而且在高电场作用下不会击穿。
三、电致发光材料种类3.薄膜型电致发光材料§9.3电致发光材料如图所示，透明电极为掺杂的SnO2或In2O3；绝缘层用高介电常数和高介电强度的材料，如Y2O3、Si3N4、Al2O3等。
发光层为锰掺杂的高纯ZnS，ZnS用锰掺杂后制成小球，用电子轰击制成电致发光薄膜。沉积时衬底温度在250℃左右，然后在550℃真空下热处理一小时。
三、电致发光材料种类4.p-n结型电放发光材料p-n结型电致发光材料主要指发光二极管所用材料。发光二极管是一种在低电压下发光的器件，使用单晶或单晶薄膜材料。作为发光二极管所用材料应该具有下述特性
三、电致发光材料种类4.p-n结型电放发光材料（2）三元化合物两种Ⅲ-Ⅴ族化合物做成混晶，便是三元化合物，如AlxGa1-xAs、GaAs1-xPx、In1-xGaxP、In1-xAlxP等。
控制混晶的组分比可以改变其禁带宽度，从而制成适合于发光材料的直接能隙材料，使发光二极管多色化。
三、电致发光材料种类5.高聚物电致发光材料自1990年采用聚对苯乙炔(PPV)成功制备电致发光二极管以来，高聚物发光材料领域的发展十分迅速。目前，高聚物发光材料的发光范围已覆盖了整个可见光区，制备的发光器件的各项性能已接近商业化水平。
高聚物电致发光材料主要有三大类。
四、电致发光材料的应用电致发光材料主要用途是制造电致发光显示器件。交流粉末电致发光显示板除了作照明板使用外，主要用作大面积显示。直流粉末电致发光显示板可用来作数字显示器、直流电致发光显示电视（样机）等。发光二极管用途较广。
它可以用于数字、文字显示，如小型计算器、电子手表、数字化仪表、记数器以及各种家用电器的显示等。
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射线致发光材料可分为阴极射线致发光材料和放射线致发光材料两种。阴极射线致发光：电子束轰击发光物质而引起的发光现象。放射线致发光：高能的α、β射线，或X光射线轰击发光物质而引起的发光现象。
一、阴极射线致发光材料阴极射线致发光材料是指在阴极射线激发下能发光的材料，也称为电子束激发发光材料。1.阴极射线发光材料的特征值阴极射线发光是在真空中从阴极出来的电子经加速后轰击荧光屏所发出的光。
一、阴极射线致发光材料1.阴极射线发光材料的特征值（1）发光亮度在荧光屏可连续激发的条件下，改变加速电压时，发光亮度也有相应的变化。多种材料发光亮度的经验表达式为：L=L0J(V-V0)n
一、阴极射线致发光材料1.阴极射线发光材料的特征值（2）发光效率发光效率η可表示为：§9.4射线致发光材料R－反射系数，约为10%；ηf―光致发光效率；Ep－发光的平均光子能量；E－产生一对电子及空穴所用的能量。
作为具有实用价值的显示用阴极射线材料要具备有高的发光亮度和发光效率，有一定的辐射光谱特性，有一定的余辉时间，有一定的颗粒尺寸（平均颗粒尺寸在0.2～20.0μm范围内）以及有良好的稳定性和对屏玻璃有良好的粘着性能等。
另外还要考虑发光颜色及衰减两个重要的特性。
一、阴极射线致发光材料2.阴极射线致发光材料种类阴极射线致发光材料是由电子束激发材料发光，其电子能量通常在几千电子伏特以上甚至几万电子伏特。光致发光时，紫外线光子能量仅5～6eV，甚至更低。
因此，光致发光材料在电子束激发下都能发光，有些材料没有光致发光效应，却有阴极射线发光功能。常用的阴极射线致发光材料主要是荧光粉与激发剂组成的复合物质。根据基质材料的不同，可以分为以下五种。
一、阴极射线致发光材料2.阴极射线致发光材料种类（5）稀土族荧光粉这类材料的优点是发光效率高，耐电子和离子的轰击性能好，近些年来发展较快。例如:Y2O3:Eu发红光；Y2Si05:Ge发绿光。
Tb3＋激活的发光材料，呈现良好的温度特性和亮度电流线性关系，主要有YAG:Tb，Y3(Al,Ca)5O12:Tb，YAG:Ce、Tb，LaOBr:Tb，LaOCl:Tb，Y2SiO5:Tb，InBO3:Tb等。
二、X射线致发光材料1、发光原理发光材料在X射线照射下可以发生康普顿效应，也可以吸收X射线，二者都可产生高速的光电子。光电子又经过非弹性碰撞，产生第二代，第三代电子。
当这些电子的能量接近发光跃迁所需的能量时，即可激发发光中心，或者离化发光中心，随后发出光来。一个X射线的光子可以引起很多个发光光子。例如：发光体被一个50keV的X射线光子激发时，如果材料的发光效率较高，可产生近5000个可见光的光子。
二、X射线致发光材料3、材料应用X射线发光材料在发光材料中使用较早而且其应用量很大，主要应用之一是制作X射线显示屏。X射线发光屏是利用发光材料使X光转换为可见光，并显示成像的屏幕。具体地说用发光材料做成荧光屏及增感屏，显示静态及动态图像。
一、等离子概念及发光原理2、发光基本原理等离子体发光主要是利用了稀有气体中冷阴极辉光放电效应。气体的电子得到足够的能量（大于气体的离化能）之后，完全脱离原子，即被电离。这种电子比在固体中自由得多，具有较大的动能，以较高的速度在气体中飞行。
电子在运动过程中与其他粒子会产生碰撞，使更多的中性粒子电离。在大量的中性粒子不断电离的同时，还有一个与电离相反的过程，就是复合现象。
一、等离子概念及发光原理（2）发光基本原理②正、负两种离子复合也可以发光。采用不同的工作物质可以产生不同波长的光，这种工作物质被称为等离子发光材料。
二、等离子体发光显示屏2、等离子发光屏的结构（3）气体空腔及涂层涂层材料邻接混合气体，它通常是蒸发在介质上的一薄层（2000～3000Ao）氧化物，如MgO、Yb2O3、La2O3、CeO2等。
显示屏的工作电压和稳定性受到涂层和气体之间相互作用的影响。
二、等离子体发光显示屏3、等离子发光屏的特点等离子体发光显示具有高亮度、高对比度、能随机书写与擦除，长寿命、无视角、配计算机时有优秀的互相作用能力等优点，因而发展速度很快。
作为信息处理终端装置的显示板已开始普及，作为挂壁电视，也表现较好的性能。
三、等离子体发光材料等离子体发光材料主要是惰性气体。等离子显示中用的是以氖气为基质，另外掺一些其他气体，如氦气、氩气等。这些气体主要发橙红色光。如果掺加一些氙气则可以发出紫外光，在放电管的近旁涂上发光粉后，便能实现彩色显示。
例如：采用80.9％He+11.1％Ar+6.3％Xe+1.7％Ne的混合气体，得到约为过去常用的Ne+0.2％Xe混合物发光强度的四倍，这两种气体的混合物的发光最强的谱线值于147nm，实现了惰性气体的真空紫外辐射。
三、等离子体发光材料例如：采用Y2O3:Eu、Zn2SiO4:Mn和Y2SiO3:Ce做成的彩色自扫描等离子显示板，使用气压为2.7×104Pa的He+2％Xe混合气体，显示板实现了彩色电视图像显示。
等离子发光材料还可用于照明如氖灯、氙灯等。
除上述发光材料外，热致发光材料发现和使用最早，目前常用的材料如钨丝，主要用于白炽灯中，但是随着对光源亮度、发光效率、颜色等各种性能要求的不断提高，钨丝等热致发光材料逐渐为电致发光材料、光致发光材料、射线致发光材料和等离子发光材料所取代。
随着信息显示技术的发展，各种新型的发光材料正在不断地出现。
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