发光材料的发光性能优化

发光材料的发光性能由构成它的化合物的组成和晶体结构所决定，而且往往是组成和结构上的微小变化就会引起发光材料性能上的巨大差异。发光材料的发光性能主要指以下几方面的性能。

3.1.2.1　发光效率与发光强度

（1）发光效率。通常用发光效率来表征材料的发光能力。材料吸收激发能量后将其中百分之几的能量转变成光，即发光能量与吸收能量之比称为发光效率。

因为发光材料吸收能量时有一部分转换为热，所以能量效率表征出激发能量变为发光能量的完善程度，发光中心本身直接吸收能量时，发光效率最高，如果能量被基质吸收，例如，能量被复合型发光材料吸收后，形成的电子和空穴沿晶格移动时可能被“陷阱”俘获，这一“陷阱”以及空穴和电子的“无辐射复合”会使能量效率下降。

（2）光亮度。一定面积的发光表面沿法线方向所产生的光强称为发光度。其单位为烛光/m2（cd/m2），这表明沿1m2发光表面的法方向产生1烛光的光强。在实际生产或应用中，通常用相对亮度来表示发光亮度。待测发光材料的发光亮度（不标定高度单位）与同样激发条件下测出的作为标准材料亮度的比值，就是待测发光材料的相对发光强度。

3.1.2.2　光谱性能

（1）吸收光谱。吸收光谱反映了光照射到发光材料上，其激发光波长和材料所吸收能量值的关系。激发光照射发光材料时，一部分光被反射和散射，一部分光透过，余下的光被材料吸收。因此，只有被吸收的部分光对材料产生激发作用。当然，被吸收的光中也不是所有波长的光都能起到激发作用。研究吸收光谱可以知道哪些波长的激发光被吸收，吸收率是多少，这对研究材料的发光过程非常重要。

（2）激发光谱。激发光谱是指发光的某一谱线或谱带的强度随激发光波长（或频率）改变而变化的曲线。它反映了发光材料所吸收的激发光波长中，哪些波长的光对材料的发光更为有效。这对分析发光的激发过程很有意义，也为确定哪些波段范围内的激发光对材料的发光提供了更有效的直接依据。

（3）发光光谱。发光材料的发光强度随波长或能量的分布曲线称为发光光谱（或发射光谱）。它类似于人的指纹，是发光材料独具的特性。

3.1.2.3　能量传输

通常把发光过程分成激发、能量传输和复合发光三个阶段。其中，能量传输现象是指发光材料受到外界激发后到产生发射光以前这样一段过程中，激发能量在晶体中传输的现象。发光材料吸收了激发光，就会在内部发生能量状态的改变，有些离子被激发到较高能量状态，或者晶体内产生了电子和空穴等。而电子和空穴一旦产生，就将任意运动，这样，激发状态也就不会局限在一个地方，而将发生转移。即使只是离子被激发，不产生自由电子，处于激发态的离子也可以和附近的离子相互作用而将激发能量传播出去。这就是说，原来被激发的离子回到基态，而附近的离子则转到激发态。这样的过程可以一个接一个地继续下去，形成激发能量的传输，能量传输在发光现象中占有重要的地位。

能量传输是能量传递和能量输运两种过程。其中，能量传递是指某一激发中心把激发能量的全部或一部分转交给另一个激发中心的过程；而能量输运则是指借助电子、空穴、激子等的运动，把激发能量从晶体的一部分带到晶体另一部分的过程。几乎所有的发光材料中都很明显地存在着上述现象，如敏化剂的敏化、猝灭剂的猝灭、上转换发光、下转换发光、合作和组合发光、电致发光中的载流子运动等都和能量的传递和输运过程紧密相关。

3.1.2.4　发光和猝灭(www.xing528.com)

并不是激发能量全部都要经过传输，能量传输也不会无限地延续下去。激发的离子如果处于高能态，它们就不是稳定的，随时有可能回到基态。在回到基态的过程中，如果发射出光子，就是发光，这个过程就称为发光跃迁或辐射跃迁。如果离子在回到基态时不发射光子，而是将激发能散发为热（晶格振动），就称为无辐射跃迁或猝灭。无论激发的离子是发射光子，还是发生无辐射跃迁，或者是将激发能量传递给别的离子，这几种过程都有一定的概率，决定于离子周围的情况（如近邻离子的种类、位置等）。以上指的是离子被激发的情况。对于由激发而产生的电子和空穴，它们也不是稳定的，最终将会复合。不过在复合以前有可能经历复杂的过程。例如，它们可能分别被杂质离子或晶格缺陷所捕获，由于热振动而又可能获得自由，这样可以反复多次，最后才复合而放出能量。一般而言，电子和空穴总是通过某种特定的中心而实现复合的。如果复合后发射出光子，这种中心就是发光中心（它们可以是组成基质的离子、离子团或有意掺入的激活剂）。有些复合中心将电子和空穴复合的能量转变为热而不发射光子，这样的中心称为猝灭中心。发光和猝灭在发光材料中是互相对立互相竞争的两种过程。猝灭占优势时，发光就弱，效率也低；反之，发光强，效率也高。

3.1.2.5　发光的增长与衰减

不同类型的发光材料，其发光增长和衰减规律是不同的。

用光激发特征型发光材料时，发光强度逐步增强，通过一定时间达到定值。

特征型发光材料的衰城速度与激发光强度及温度无关。

以硅酸盐、磷酸盐、砷酸盐和锗酸盐为基质的发光材料均按指数规律衰减，有两个激活剂的特征型发光材料（如Sb和Mn激活的卤磷酸钙），每一激活剂的发光都按指数规律衰减。

应该指出的是上述类型的发光材料并非精确地按指数规律衰减，有时在衰减开始阶段是按指数衰减，而以后按双曲线规律衰减。在后面的一段时间范围内衰减和温度有关。

复合型发光材料发光时的增长和衰减按其他规律进行。在这种情况下，增长过程中，离化中心数与离化中心复合的电子数随之增多。苏联科学家安米诺夫·罗曼诺夫斯基对这一过程进行的动力学计算表明，在增长时的发光强度I与时间及激发强度F的关系很复杂。发光材料在去掉激发时的发光衰减性质也很复杂。激发后电子离开发光中心可能和某一离化中心复合，也可能被“陷阱”俘获。“余辉”是由于电子可能从“陷阱”被热释放和离化中心复合直到所有陷阱耗尽为止。

复合型发光材料发光衰减曲线的行迹和发光强度以及温度有关。激发光强度越大衰减越快，随着强度的降低衰减减慢。

由上所述可得出以下结论：发光的衰减性质由电子和空穴陷阱的能量分布决定，主要和基质、激活剂、共激活剂的化学性质以及发光材料的灼烧温度和持续时间有关。

阴极射线发光材料的发光增长和衰减具有重要的实际意义，例如，电视显像管和飞点射线管中用的许多发光材料是需要短余辉的；而雷达装置中用的发光材料则应当具有相当长的余辉时间。