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夜光产品为什么会发荧光,夜光原理是什么

时间:2020-11-19   访问量:13

  荧光粉(也称夜光粉)之所以有荧光现象是因为含有荧光染料。下面解释一下荧光过程中荧光染料分子经历的变化也就是夜光原理

  分子也是由原子核和电子构成,电子具有能量,大致分为原子核对电子的吸引,电子-电子排斥,以及电子相关能量。前两项是经典库仑相互作用,最后一项来自于量子效应。这几项组合的结果就导致了分子中电子的能量只能去一系列离散值(这也是量子效应),我们通常把这些能量的可能取值叫做电子能级。具有某个能量的电子具有某种对应的运动状态,通常叫做分子轨道。在我们采用一系列近似后,可以认为每个分子轨道上可以放两个电子,这两个电子的自旋相反。一个分子内的电子数目是有限的,但分子能级(及对应分子轨道)的数目无限。分子稳定性要求整个分子体系总能最低,所以电子会从能量最低的轨道开始排,N个电子会占据 N/2 个能级,这就是基态的电子构型。电子能级的间距一般为几个电子伏特(eV)。

  影响一个孤立分子能量的因素除电子态以外还有分子的振动,其实就是原子核们会在平衡位置附近有小幅运动。这种运动表现为键长,键角,二面角以及更复杂的几何因素的变化,量级一般在 0.0025 到 0.5 eV。通常可以把电子能级和振动能级分开处理,可以得到下面的 Jablonski diagram,这里只列出了两个电子态 S0 和 S1。每个电子态都可以看做一个振动态的 manifold。

1.png

  现在先看光子的吸收。起初分子处于基态,就是 S0 的 0,一个能量合适的光子打过来后,电子吸收了这个光子的能量,跳到第一电子激发态的第三振动激发态。这个过程中能量是守恒的,分子体系能量增加了 \hbar\omega, \hbar 为普朗克常数除以2\pi,\omega为光子角频率。当然,如果光子能量稍多或稍少,电子会跳到更高或者更低的某个态上,如果这个态存在的话。

  吸收完成后,分子处于一个不怎么稳定的状态,有放出能量回到基态的趋势。这个放出能量有多种途径,比如图中的红色箭头,是振动能级的弛预,通过分子之间的碰撞等过程把振动能量变成分子动能,宏观上来看体系温度升高,也就是变成了热。通过某种方式弛预到第一激发态的振动基态后,发生电子跃迁,回到电子基态。这个跃迁的终态也是有多种可能的,可以回到电子基态的任意振动激发态。这个过程中,体系发出光子,能量降低,即为荧光。

  从吸收到发射中间有一个时间差,可以认为这是电子激发态的寿命。随体系不同, 激发态寿命会有很大差别。比如某些血红素蛋白为几十个飞秒(1E-15s),苯酚的第一激发态寿命大概在几个纳秒(1E-9s)。激发后,荧光强度随时间指数式衰减。

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  补充

  延时很长时间的荧光材料当然是存在的,比如说题目中的荧光粉啥的。关于荧光材料这块我不熟,就着找到材料简单说一把,请专家指正。

  前面说的荧光是一个非常简化的模型,适用于非常简单的体系,比如单个不大的分子。。

  常用的荧光材料有很多,我搜到了一个“大连XX发光科技股份有限公司”,产品满世界卖,他们网站上列举了几类目前常用的荧光材料。下面拿其中一种来做例子,ZnS:Cu,就是往硫化锌里面掺杂铜。参考了 【S. Shionoya, H. P. Kallmann, and B. Kramer, Phys. Rev. 121, 1607(1961)】,好老的文献。。。。

2.jpg

  硫化锌是半导体,带隙 3.54 eV(立方)或 3.91 eV(六方)。掺杂铜后,Cu在带隙内引入掺杂态,就是图中的 A 和 A*。体系吸收光子后,电子从价带(V)激发到导带(C),这也可以叫做电子-空穴对。这个电子空穴对在体系里各种相互作用的影响下运动,它们可以重新组合,变成基态电子,放出光子。但现实中体系的晶格会出现各种缺陷,这些缺陷会导致带隙内产生 traps,激发后的电子被trap捕获后就跳不回基态了。当然被捕获的电子还可能逃离 trap,比如通过升高温度加剧热运动等。逃离后又有可能跃迁回价带,导致发光。因此发光的延续或者延迟时间跟很多因素有关,比如激发光强,trap浓度,半导体带隙,掺杂态的能级位置,温度等。在【PR, 121, 1607】里面,他们做的实验是可以延续半小时左右。当然现在应该有发光延续时间更长的材料。

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  再补充

  还有种可以长时间发光的东西叫 radioluminescent XX,就是把含有放射性同位素的成分跟前面说的发光材料混起来,比如说 ZnS:Cu。最早用的放射性材料是镭-226 (半衰期 1601 年),现在用的比较多的是氚(12.32 年)、钷-147(2.62 年)、锶-90(28.79 年),碳-14(5730 年)等。

  放射性同位素衰变产生的 \alpha 粒子(氦核)或者 \beta 粒子(电子)将半导体材料价带中的电子激发,然后跟上面的过程一样,导致发光。


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