光致发光及其在材料分析中的应用

光致发光（Photoluminescence，简称PL）是指物体依赖外界光源进行照射，从而获得能量，产生激发导致发光的现象，它大致经过吸收、能量传递及光发射三个主要阶段，光的吸收及发射都发生于能级之间的跃迁，都经过激发态。而能量传递则是由于激发态的运动。紫外辐射、可见光及红外辐射均可引起光致发光。如磷光与荧光。

光致发光是冷发光的一种，指物质吸收光子（或电磁波）后重新辐射出光子（或电磁波）的过程。从量子力学理论上，这一过程可以描述为物质吸收光子跃迁到较高能级的激发态后返回低能态，同时放出光子的过程。光致发光可按延迟时间分为荧光（Fluorescence）和磷光（Phosphorescence）。

激发态的分布按能量的高低可以分为3个区域。低于禁带宽度的激发态主要是分立中心的激发态。关于这些激发态能谱项及其性质的研究，涉及杂质中心与点阵的相互作用，可利用晶体场理论进行分析。随着这一相互作用的加强，吸收及发射谱带都由窄变宽，温度效应也由弱变强，特别是猝灭现象变强，使一部分激发能变为点阵振动。在相互作用较强的情况下，激发态或基态都只能表示中心及点阵作为一个统一系统的状态。通常用位形坐标曲线表示。电子跃迁一般都在曲线的极小值附近发生。但是，近年关于过热发光的研究，证明发光也可以从比较高的振动能级起始，这在分时光谱中可得到直观的图像，反映出参与跃迁的声子结构。

接近禁带宽度的激发态是比较丰富的，包括自由激子、束缚激子及施主—受主对等。当激发密度很高时，还可出现激子分子，而在间接带隙半导体内甚至观察到电子—空穴液滴。激子又可以和能量相近的光子耦合在一起，形成电磁激子（excit⁃onic polariton）。束缚激子的发光是常见的现象，它在束缚能上的微小差异常被用来反映束缚中心的特征。在有机分子晶体中，最低的电子激发态是三重激子态，而单态激子的能量几乎是三重态激子能量的2倍。分子晶体中的分子由于近邻同类分子的存在，会出现两种效应：“红移”（几百厘米）及“达维多夫劈裂”。这两种效应对单态的影响都大于对三重态的影响。

能量更高的激发态是导带中的电子，包括热载流子所处的状态。后者是在能量较高的光学激发下。载流子被激发到高出在导带（或价带）中热平衡态的情况，通常可用电子（或空穴）温度（不同于点阵温度）描述它们的分布。实验证明，热载流子不需要和点阵充分交换能量直至达到和点阵处于热平衡的状态即可复合发光，尽管它的复合截面较后者小。热载流子也可在导带（或价带）内部向低能跃迁。这类发光可以反映能带结构及有关性质。

激发态的运动是发光中的重要过程，能量传递是它的一个重要途径。分子之间的能量传递概率很大，处于激发态的分子被看作是激子态。无机材料中的能量传递也非常重要，在技术上已得到应用。无辐射跃迁是激发态弛豫中的另一重要途径。对发光效率有决定性的影响。(www.xing528.com)

光致发光最普遍的应用为日光灯。它是灯管内气体放电产生的紫外线激发管壁上的发光粉而发出可见光的。其效率约为白炽灯的5倍。此外，“黑光灯”及其他单色灯的光致发光广泛地用于印刷、复制、医疗、植物生长、诱虫及装饰等技术中。上转换材料则可将红外光转换为可见光，可用于探测红外线，例如红外激光的光场等。

光致发光可以提供有关材料的结构、成分及环境原子排列的信息，是一种非破坏性的、灵敏度高的分析方法。激光的应用更使这类分析方法深入到微区、选择激发及瞬态过程的领域，使它又进一步成为重要的研究手段，应用到物理学、材料科学、化学及分子生物学等领域，逐步出现新的边缘学科。

光致发光是一种探测材料电子结构的方法，它与材料无接触且不损坏材料。光直接照射到材料上，被材料吸收并将多余能量传递给材料，这个过程叫作光激发。这些多余的能量可以通过发光的形式消耗掉。由于光激发而发光的过程叫作光致发光。光致发光的光谱结构和光强是测量许多重要材料的直接手段。

光激发导致材料内部的电子跃迁到允许的激发态。当这些电子回到他们的热平衡态时，多余的能量可以通过发光过程和非辐射过程释放。光致发光辐射光的能量是与两个电子态间不同的能级差相联系的，这其中涉及了激发态与平衡态之间的跃迁。激发光的数量是与辐射过程的贡献相联系的。

光致发光光谱（Photoluminescence Spectroscopy，简称PL谱），指物质在光的激励下，电子从价带跃迁至导带并在价带留下空穴；电子和空穴在各自的导带和价带中通过弛豫达到各自未被占据的最低激发态（在本征半导体中即导带底和价带顶），成为准平衡态；准平衡态下的电子和空穴再通过复合发光，形成不同波长光的强度或能量分布的光谱图。光致发光过程包括荧光发光和磷光发光。