[科普中国]-光致发光材料

光致发光是指用紫外光、可见光或红外光激发发光材料而产生的发光现象。它大致经历吸收、能量传递和光发射等三个主要过程。光的吸收和发射发生在能级之间的跃迁，都经过激发态；而能量传递则是由于激发态的运动。

激发光辐射的能量可直接被发光中心（激活剂或杂质）吸收，也可被发光材料的基质吸收。在第一种情况下，发光中心吸收能量向较高能级跃迁，随后跃迁回到较低能级或基态能级而发光。对于这些激发态能谱性质的研究，涉及杂质中心与晶格的相互作用，可以用晶体场理论进行分析。随着晶体场作用的加强，吸收谱及发射谱都由宽变窄，温度效应也由弱变强，使得一部分激发能变为品格振动能，发光效率下降。

光致发光材料的分类光的吸收和发射均发生在能级之间的跃迁过程中，都经历激发态，而能量传递则是由于激发态运动。激发光辐射的能量可直接被发光中心（激活剂或杂质）吸收，也可能被发光材料的基质吸收。在第一种情况下，发光中心吸收能量向较高能级跃迁，随后跃迁回到较低的能级或基态能级而产生发光。在第二种情况下，基质吸收光能，在基质中形成电子一空穴对，它们可能在晶体中运动，被束缚在发光中心上，发光是由于电子一空穴的复合而引起的。当发光中心离子处于基质的能带中时，会形成一个局域能级，处在基质导带和价带之间，即位于基质的禁带中。对于不同的基质结构，发光中心离子在禁带中形成的局域能级的位置不同，从而在光激发下，会产生不同的跃迁，导致不同的发光色。光致发光材料分为荧光灯用发光材料、等离子体显示平板( PDP)用发光材料、长余辉发光材料和上转换发光材料。1

荧光粉材料发光二极管( LED)是固体光源，具有节能、环保、全固体化、寿命长等优点，是21世纪人类解决能源危机的重要途径之一。白光LED以其省电（为白炽灯的1/8，荧光灯的1/2）、体积小、发热量低、可低压或低电流起动、寿命长（120000h以上）、响应快、抗震耐冲、可回收、无污染、可平面封装、易开发成轻薄短小产品等优点得到了迅猛的发展。白光LED广泛应用于城市景观照明、液晶显示背光源、室内外普通照明等多种照明领域，被认为是替代白炽灯、荧光灯的新一代绿色照明光源。

1)获取白光LED的方法

获取白光LED的主要途径有以下三种。①利用三基色原理和已能生产的红、绿、蓝三种超高亮度的LED，按光强1：2：0.38的比例混合而成白色。但由于LED器件光输出会随温度升高而下降，不同的LED下降程度差别较大，结果造成混合白光的色差，限制了用三基色LED芯片组装实现白光的应用。②蓝色LED芯片与可被蓝光有效激发的发黄光荧光粉结合，组成白光；这时LED用荧光粉吸收一部分蓝光，受激发后发射黄光，发射的黄光与剩余的蓝光混合，通过调控二者的强度比后，可以获得各种色温的白光。③采用发紫外光的LED芯片和可被紫外光有效激发而发射红、绿、蓝三基色的荧光粉，产生多色混合组成白光LED。此外，也可选用两基色、四基色，甚至五基色荧光粉来获得白光。

荧光粉性能的好坏直接影响白光LED的性能。制备白光发光二极管大多离不开稀土荧光粉，主要有黄色荧光粉和三基色荧光粉等。因此获得化学性质稳定和性能优异的荧光粉是实现白光LED的关键。

2) LED用黄色荧光粉

蓝色LED芯片和一种或多种能被蓝光有效激发的荧光粉有机结合可组成白色LED。其中发展最成熟的是蓝色LED与黄色荧光粉的组合，一部分蓝光被荧光粉吸收后，激发荧光粉发射黄光，发射的黄光和剩余的蓝光混合，调控它们的强度比，即可得到各种色温的白光。这种方法驱动电路设计简易、生产容易、耗电量低。

当今使用最多的是InGaN蓝光LED，发射峰值450～480nm，采用蓝光LED激发黄光荧光粉获得白光。荧光粉使用的是三价铈激活的稀土石榴石体系(YAG)荧光粉，它的吸收和激发光谱与InGaN芯片的蓝色发光光谱匹配较佳，发射光谱覆盖绿一黄（橙黄光）的光谱范围，缺少红色成分，色调偏冷，不能达到室内照明的要求。为解决这一问题，可以在YAG黄色荧光粉中掺入适量的红色荧光粉。2

长余辉发光材料长余辉发光材料是在自然光或人造光源照射下能够存储外界光辐照的能量，然后在某一温度下（指室温），缓慢地以可见光的形式释放，是一种存储能量的光致发光材料。长余辉发光材料称做蓄光材料或夜光材料。长余辉发光材料在弱光显示、照明、特殊环境（交通、航天、航海、印染、纺织、艺术品等）等方面有重要的应用。

稀土离子掺杂的碱土铝（硅）酸盐长余辉材料已进入实用阶段。市场上可见的产品除了初级的荧光粉外，主要有夜光标牌、夜光油漆、夜光塑料、夜光胶带、夜光陶瓷、夜光纤维等，主要用于暗环境下的弱光指示照明和工艺美术品等。长余辉材料的形态已从粉末扩展至玻璃、单晶、薄膜和玻璃陶瓷；对长余辉材料应用的要求也从弱光照明、指示等扩展到信息存储、高能射线探测等领域。长余辉发光材料属于电子俘获材料，其发光现象是由材料中的陷阱能级所致。由于能级结构的复杂性以及受测试分析手段所限，长余辉材料的发光机理还没有十分清晰、统一的理论模型。比较典型的理论模型有空穴模型、电子陷阱模型和位型坐标模型等三种，其中位型坐标模型是得到较多认可的。2

上转换发光材料上转换发光材料是一种吸收低能光辐射，发射高能光辐射的发光材料。上转移发光，是指两个或两个以上低能光子转换成一个高能光子的现象。上转换发光材料的发光机理是由于双光子或多光子的耦合作用；其特点是所吸收的光子能量低于所发射的光子能量，这种现象违背斯托克斯(Stokes)定律，因此这类材料又称为反斯托克斯发光材料。在一些文献中上转换发光材料特指将红外光转换成可见光的材料。

上转换主要的应用领域有全固态紧凑型激光器件（紫、蓝、绿区域）、上转换荧光粉、三维立体显示、红外量子计数器、温度探测器、生物分子的荧光探针、光学存储材料等。自20世纪60年代发现上转换发光材料以来，人们对上转换发光进行了广泛的研究。90年代后，随着应用领域的拓宽，上转换发光的研究又重新活跃起来；特别是纳米微粒的上转换发光的研究，引起了世界各国的高度重视。国内外研究方向主要集中在以氧化钇为发光基质材料，掺杂稀土金属镱、铒等离子的纳米微粒材料的制备方法以及其发光机制、发光效率改进等方面。2

本词条内容贡献者为:

李晓林 - 教授 - 西南大学