Домой Аюрведа Что такое электролюминесценция в физике. Люминесценция: виды, методы, применение

Аюрведа

Что такое электролюминесценция в физике. Люминесценция: виды, методы, применение

Электроны дырки полупроводника могут комбинировать с излучением фотона. Можно представить себе четыре варианта таких процессов: переход электрона полосы проводимости к дырке валентной полосы и к дырке акцепторного уровня, переход электрона. донорного уровня к дырке валентной полосы и к дырке акцепторного уровня.

Чтобы полупроводник был излучателем света, надо, чтобы его структура благоприятствовала быстрой рекомбинации электронов

и дырок, а также позволяла вводить электроны в возбужденные состояния. Такие состояния будут получены, если удастся инжектировать электроны в полупроводник, в котором больше дырок, т. е. в n-кристалл. Тот же эффект получится введением дырок в полупроводник n-типа. Наконец, можно также прибегнуть к инжекции в изолятор дырок и электронов.

Если, пропуская ток через полупроводник, мы осуществим один из этих процессов, то произойдет прямое превращение энергии тока в свет, т. е. будет иметь место электролюминесценция.

Наиболее удобными для практического осуществления электролюминесценции оказались р - n-диоды, изготовленные из бинарных полупроводников типа фосфида или арсенида галлия. На рис. 308а дана схема энергетических уровней диода. Между p- и n-областями диода установится, как только что было объяснено, контактная разность потенциалов, уравновешивающая диффузию электронов (черные кружки) в p-область и дырок (светлые кружки) в n-область (рис. 308а, а)

При наложении поля (рис. 308а, б) барьер понижается, электроны начинают свое движение вправо на нашем чертеже, а дырки влево. В пограничном слое создаются благоприятные условия для рекомбинации всех четырех типов. Энергия образующихся фотонов, грубо говоря, равна зазору между полосами.

Конечно, процесс рекомбинации не обязательно должен сопровождаться излучением. Соответствующая энергия может перейти и в тепло. Если бы удалось осуществить идеальный случай, то выход излучения превосходил бы подводимую электрическую энергию и прибор работал бы как холодильник, черпая тепло в кристалле и окружающей среде.

Все излучение распространяется в плоскости пограничного слоя. Два конца диода, перпендикулярные границе, полируются таким образом, чтобы создалась резонансная полость. При больших токах излучение становится стимулированным со всеми

вытекающими отсюда следствиями в отношении остроты направленности поляризации и когерентности.

К настоящему времени удалось создать большое количество полупроводниковых лазеров. Все они относятся к бинарным полупроводникам, комбинирующим элементы II-VI, а также III - V столбцов таблицы Менделеева. В соответствии с ширинами зазоров, колеблющимися в пределах нескольких единиц электрон-вольт, созданы полупроводниковые лазеры, охватывающие диапазон длин волн от ультрафиолета до далекого инфракрасного света.

Наблюдается в веществах- полупроводниках и кристаллофосфорах, атомы (или молекулы) которых переходят в возбуждённое состояние под воздействием пропущенного электрического тока или приложенного электрического поля.

Механизм

Электролюминесценция- результат излучательной рекомбинации электронов и дырок в полупроводнике. Возбужденные электроны отдают свою энергию в виде фотонов. До рекомбинации электроны и дырки разделяются -либо посредством активации материала для формирования p-n перехода(в полупроводниковых электролюминесцентных осветителях, таких как светодиод) - либо путём возбуждения высокоэнергетическими электронами (последние ускоряются сильным электрическим полем)- в кристаллофосфорах электролюминесцентных панелей.

Электролюминесцентные материалы

Обычно электролюминесцентные панели выпускаются в виде тонких пленок из органических или неорганических материалов. В случае применения кристаллофосфоров цвет свечения определяется примесью - активатором. Конструктивно электролюминесцентная панель представляет из себя плоский конденсатор. Электролюминесцентные панели требуют подачи достаточно высокого напряжения (60 - 600 вольт); для этого, как правило, в устройство с электролюминесцентной подсветкой встраивается преобразователь напряжения .

Примеры тонкопленочных электролюминесцентных материалов:

Порошкообразный сульфид цинка, активированный медью или серебром (сине-зеленое свечение);
Сульфид цинка, активированный марганцем- желто-оранжевое свечение;
Полупроводники III-V InP, GaAs, GaN (светодиоды).

Применение

Электролюминесцентные осветители (панели, провода и т.д.) широко используются в бытовой электронике и светотехнике, в частности - для подсветки жидкокристаллических дисплеев, подсветки шкал приборов и пленочных клавиатур, декоративного оформления строений и ландшафта и пр.

Для военных и промышленных применений выпускаются электролюминесцентные графические и знакосинтезирующие дисплеи . Эти дисплеи отличаются высоким качеством изображения и относительно низкой чувствительностью к температурным режимам.

Напишите отзыв о статье "Электролюминесценция"

Литература

Гершун А. Л. ,. // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.

Ссылки

(недоступная ссылка - история , копия )



Накаливания

Флуоресцентные

Газоразрядные

Электродуговые

На сгорании

Полупроводниковые

Прочие

Виды люминесценции

Осветительное оформление

Отрывок, характеризующий Электролюминесценция

– Eh bien, nous sommes tristes, [Что же это, мы грустны?] – сказал он, трогая Пьера за руку. – Vous aurai je fait de la peine? Non, vrai, avez vous quelque chose contre moi, – переспрашивал он. – Peut etre rapport a la situation? [Может, я огорчил вас? Нет, в самом деле, не имеете ли вы что нибудь против меня? Может быть, касательно положения?]
Пьер ничего не отвечал, но ласково смотрел в глаза французу. Это выражение участия было приятно ему.
– Parole d"honneur, sans parler de ce que je vous dois, j"ai de l"amitie pour vous. Puis je faire quelque chose pour vous? Disposez de moi. C"est a la vie et a la mort. C"est la main sur le c?ur que je vous le dis, [Честное слово, не говоря уже про то, чем я вам обязан, я чувствую к вам дружбу. Не могу ли я сделать для вас что нибудь? Располагайте мною. Это на жизнь и на смерть. Я говорю вам это, кладя руку на сердце,] – сказал он, ударяя себя в грудь.
– Merci, – сказал Пьер. Капитан посмотрел пристально на Пьера так же, как он смотрел, когда узнал, как убежище называлось по немецки, и лицо его вдруг просияло.
– Ah! dans ce cas je bois a notre amitie! [А, в таком случае пью за вашу дружбу!] – весело крикнул он, наливая два стакана вина. Пьер взял налитой стакан и выпил его. Рамбаль выпил свой, пожал еще раз руку Пьера и в задумчиво меланхолической позе облокотился на стол.
– Oui, mon cher ami, voila les caprices de la fortune, – начал он. – Qui m"aurait dit que je serai soldat et capitaine de dragons au service de Bonaparte, comme nous l"appellions jadis. Et cependant me voila a Moscou avec lui. Il faut vous dire, mon cher, – продолжал он грустным я мерным голосом человека, который сбирается рассказывать длинную историю, – que notre nom est l"un des plus anciens de la France. [Да, мой друг, вот колесо фортуны. Кто сказал бы мне, что я буду солдатом и капитаном драгунов на службе у Бонапарта, как мы его, бывало, называли. Однако же вот я в Москве с ним. Надо вам сказать, мой милый… что имя наше одно из самых древних во Франции.]
И с легкой и наивной откровенностью француза капитан рассказал Пьеру историю своих предков, свое детство, отрочество и возмужалость, все свои родственныеимущественные, семейные отношения. «Ma pauvre mere [„Моя бедная мать“.] играла, разумеется, важную роль в этом рассказе.
– Mais tout ca ce n"est que la mise en scene de la vie, le fond c"est l"amour? L"amour! N"est ce pas, monsieur; Pierre? – сказал он, оживляясь. – Encore un verre. [Но все это есть только вступление в жизнь, сущность же ее – это любовь. Любовь! Не правда ли, мосье Пьер? Еще стаканчик.]
Пьер опять выпил и налил себе третий.
– Oh! les femmes, les femmes! [О! женщины, женщины!] – и капитан, замаслившимися глазами глядя на Пьера, начал говорить о любви и о своих любовных похождениях. Их было очень много, чему легко было поверить, глядя на самодовольное, красивое лицо офицера и на восторженное оживление, с которым он говорил о женщинах. Несмотря на то, что все любовные истории Рамбаля имели тот характер пакостности, в котором французы видят исключительную прелесть и поэзию любви, капитан рассказывал свои истории с таким искренним убеждением, что он один испытал и познал все прелести любви, и так заманчиво описывал женщин, что Пьер с любопытством слушал его.

Люминесценция - это излучение света определенными материалами в относительно холодном состоянии. Она отличается от излучения раскаленных тел, например или угля, расплавленного железа и проволоки, нагреваемой электрическим током. Излучение люминесценции наблюдается:

в неоновых и люминесцентных лампах, телевизорах, радарах и экранах флюороскопов;
в органических веществах, таких как люминол или люциферин в светлячках;
в некоторых пигментах, используемых в наружной рекламе;
при молнии и северном сиянии.

Во всех этих явлениях световое излучение не является результатом нагревания материала выше комнатной температуры, поэтому его называют холодным светом. Практическая ценность люминесцентных материалов заключается в их способности трансформировать невидимые формы энергии в

Источники и процесс

Явление люминесценции происходит в результате поглощения материалом энергии, например, от источника ультрафиолетового или рентгеновского излучения, пучков электронов, химических реакций и т. д. Это приводит атомы вещества в возбужденное состояние. Так как оно неустойчиво, материал возвращается в свое исходное состояние, а поглощенная энергия выделяется в виде света и/или тепла. В процессе задействованы только внешние электроны. Эффективность люминесценции зависит от степени превращения энергии возбуждения в свет. Число материалов, обладающих достаточной для практического применения эффективностью, относительно небольшое.

Люминесценция и накаливание

Возбуждение люминесценции не связано с возбуждением атомов. Когда горячие материалы начинают светиться в результате накаливания, их атомы находятся в возбужденном состоянии. Хотя они вибрируют уже при комнатной температуре, этого достаточно, чтобы излучение происходило в дальней инфракрасной области спектра. С повышением температуры частота электромагнитного излучения смещается в видимую область. С другой стороны, при очень высоких температурах, которые создаются, например, в ударных трубах, столкновения атомов могут быть настолько сильными, что электроны отделяются от них и рекомбинируют, испуская свет. В этом случае люминесценция и накаливание становятся неразличимыми.

Люминесцентные пигменты и красители

Обычные пигменты и красители обладают цветом, так как они отражают ту часть спектра, которая комплементарна поглощенной. Небольшая часть энергии преобразуется в тепло, но заметного излучения не происходит. Если, однако, люминесцентный пигмент поглощает дневной свет на определенном участке спектра, он может излучать фотоны, отличающиеся от отраженных. Это происходит в результате процессов внутри молекулы красителя или пигмента, благодаря которым ультрафиолет может быть преобразован в видимый, например, синий свет. Такие методы люминесценции используются в наружной рекламе и в стиральных порошках. В последнем случае «осветлитель» остается в ткани не только для отражения белого, но и для преобразования ультрафиолетового излучения в синий цвет, компенсирующий желтизну и усиливающий белизну.

Ранние исследования

Хотя молнии, северное сияние и тусклое свечение светлячков и грибов всегда были известны человечеству, первые исследования люминесценции начались с синтетического материала, когда Винченцо Каскариоло, алхимик и сапожник из Болоньи (Италия), в 1603 г. нагрел смесь сульфата бария (в виде барита, тяжелого шпата) с углем. Порошок, полученный после охлаждения, ночью испускал голубоватое свечение, и Каскариоло заметил, что оно может быть восстановлено путем воздействия на порошок солнечного света. Вещество было названо «ляпис солярис», или солнечный камень, потому что алхимики надеялись, что оно способно превращать металлы в золото, символом которого является солнце. Послесвечение вызвало интерес многих ученых того периода, дававших материалу и другие названия, в том числе «фосфор», что означает «носитель света».

Сегодня название «фосфор» используется только для химического элемента, в то время как микрокристаллические люминесцирующие материалы называются люминофором. «Фосфор» Каскариоло, по-видимому, был сульфидом бария. Первым коммерчески доступным люминофором (1870 г.) стала «краска Бальмена» - раствор сульфида кальция. В 1866 году был описан первый стабильный люминофор из сульфида цинка - один из важнейших в современной технике.

Одно из первых научных исследований люминесценции, проявляющейся при гниении древесины или плоти и в светлячках, было выполнено в 1672 году английским ученым Робертом Бойлем, который, хотя и не знал о биохимическом происхождении этого света, тем не менее установил некоторые из основных свойств биолюминесцентных систем:

свечение холодное;
оно может быть подавлено такими химическими агентами, как спирт, соляная кислота и аммиак;
излучение требует доступа к воздуху.

В 1885-1887 годах было замечено, что неочищенные экстракты, полученные из вест-индийских светлячков (огненосных щелкунов) и из моллюсков фолад, при смешивании производят свет.

Первыми эффективными хемилюминесцентными материалами были небиологические синтетические соединения, такие как люминола, открытая в 1928 году.

Хеми- и биолюминесценция

Большая часть энергии, выделяющейся в химических реакциях, особенно реакциях окисления, имеет форму тепла. В некоторых реакциях, однако, ее часть используется для возбуждения электронов до более высоких уровней, а во флуоресцентных молекулах до возникновения хемилюминесценции (ХЛ). Исследования показывают, что ХЛ является универсальным явлением, хотя интенсивность люминесценции бывает настолько мала, что требуется использование чувствительных детекторов. Есть, однако, некоторые соединения, которые демонстрируют яркую ХЛ. Наиболее известным из них является люминол, который при окислении пероксидом водорода может давать сильный синий или сине-зеленый свет. Другие сильные ХЛ-вещества - люцигенин и лофин. Несмотря на яркость их ХЛ, не все они эффективны при преобразовании химической энергии в световую, т. к. менее 1 % молекул излучают свет. В 1960-е годы было обнаружено, что сложные эфиры щавелевой кислоты, окисленные в безводных растворителях в присутствии сильно флуоресцирующих ароматических соединений, излучают яркий свет с эффективностью до 23 %.

Биолюминесценция представляет собой особый тип ХЛ, катализируемой ферментами. Выход люминесценции таких реакций может достигать 100 %, что означает, что каждая молекула реагирующего люциферина переходит в излучающее состояние. Все известные сегодня биолюминесцентные реакции катализируются реакциями окисления, протекающими в присутствии воздуха.

Термостимулированная люминесценция

Термолюминесценция означает не температурное излучение, но усиление светового излучения материалов, электроны которых возбуждены под действием тепла. Термостимулированная люминесценция наблюдается у некоторых минералов и прежде всего у кристаллофосфоров после того, как они были возбуждены светом.

Фотолюминесценция

Фотолюминесценция, которая возникает под действием электромагнитного излучения, падающего на вещество, может производиться в диапазоне от видимого света через ультрафиолетовый до рентгеновского и гамма-излучения. В люминесценции, вызванной фотонами, длина волны излучаемого света, как правило, равна или больше длины волны возбуждающего (т. е. равной или меньшей энергии). Эта разница в длине волны обусловлена преобразованием поступающей энергии в колебания атомов или ионов. Иногда, при интенсивном воздействии лучом лазера, испускаемый свет может иметь более короткую длину волны.

Тот факт, что ФЛ может возбуждаться под действием ультрафиолетового излучения, был обнаружен немецким физиком Иоганном Риттером в 1801 г. Он заметил, что люминофоры ярко светятся в невидимой области за фиолетовой частью спектра, и таким образом открыл УФ-излучение. Превращение УФ в видимый свет имеет большое практическое значение.

При высоком давлении частота увеличивается. Спектры больше не состоят из одной спектральной линии 254 нм, а энергия излучения распределена по спектральным линиям, соответствующим различным электронным уровням: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 и 578 нм. Ртутные лампы высокого давления используют для освещения, так как 405-546 нм соответствуют видимому голубовато-зеленому свету, а при трансформации части излучения в красный свет с помощью люминофора в итоге получается белый.

Когда молекулы газа возбуждаются, их спектры люминесценции показывают широкие полосы; не только электроны поднимаются на уровни более высокой энергии, но одновременно возбуждаются колебательные и вращательные движения атомов в целом. Это происходит потому, что колебательные и вращательные энергии молекул составляют 10 -2 и 10 -4 от энергий переходов, которые, складываясь, образуют множество немного отличающихся длин волн, составляющих одну полосу. В более крупных молекулах есть несколько перекрывающих друг друга полос, по одной для каждого вида перехода. Излучение молекул в растворе преимущественно лентовидное, что вызвано взаимодействием относительно большого числа возбужденных молекул с молекулами растворителя. В молекулах, как и в атомах, в люминесценции участвуют внешние электроны молекулярных орбиталей.

Флуоресценция и фосфоресценция

Эти термины можно различать не только на основании длительности свечения, но и по способу его производства. Когда электрон возбуждается до синглетного состояния со сроком пребывания в нем 10 -8 с, из которого он может легко вернуться в основное, вещество излучает свою энергию в виде флуоресценции. Во время перехода спин не изменяется. Базовое и возбужденное состояния имеют подобную кратность.

Электрон, однако, можно поднять на более высокий энергетический уровень (называемый "возбужденное триплетное состояние") с обращением его спина. В квантовой механике переходы из триплетных состояний в синглетные запрещены, и, следовательно, время их жизни значительно больше. Поэтому люминесценция в этом случае имеет гораздо более длительный срок: наблюдается фосфоресценция.

Люминесценция, возбуждаемая электрическим полем

Анимация

Описание

Электролюминесценция - это люминесценция, возбуждаемая электрическим полем. Наблюдается в газах и твердых телах. При электролюминесценции атомы (молекулы) вещества переходят в возбужденное состояние в результате возникновения в нем какой-либо формы электрического разряда. Из различных типов электролюминесценции твердых тел наиболее важны инжекционная и предпробойная. Инжекционная электролюминесценция характерна для р-n - перехода в некоторых полупроводниках, например в SiС или GaP, в постоянном электрическом поле, включенном в пропускном направлении. В n - область инжектируются избыточные дырки, а в р -область - электроны (или те и другие в тонкий слой между р- и n- областями). Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в р- n слое.

Предпробойная электролюминесценция наблюдается, например, в порошкообразном ZnS, активированном Cu, Al и др. помещенном в диэлектрик между обкладками конденсатора, на который подается переменное напряжение звуковой частоты. При максимальном напряжении на обкладках конденсатора в люминофоре происходят процессы, близкие к электрическому пробою: на краях частичек люминофора концентрируется сильное электрическое поле, которое ускоряет свободные электроны. Эти электроны могут ионизировать атомы; образовавшиеся дырки захватываются центрами люминесценции, на которых рекомбинируют электроны при изменении направления поля.

Временные характеристики

Время инициации (log to от -3 до -1);

Время существования (log tc от -1 до 9);

Время деградации (log td от -6 до -3);

Время оптимального проявления (log tk от 0 до 6).

Диаграмма: