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夜光產品為什么會發熒光,夜光原理是什么

時間:2020-11-19   訪問量:98

  熒光粉(也稱夜光粉)之所以有熒光現象是因為含有熒光染料。下面解釋一下熒光過程中熒光染料分子經歷的變化也就是夜光原理。

  分子也是由原子核和電子構成,電子具有能量,大致分為原子核對電子的吸引,電子-電子排斥,以及電子相關能量。前兩項是經典庫侖相互作用,較后一項來自于量子效應。這幾項組合的結果就導致了分子中電子的能量只能去一系列離散值(這也是量子效應),我們通常把這些能量的可能取值叫做電子能級。具有某個能量的電子具有某種對應的運動狀態,通常叫做分子軌道。在我們采用一系列近似后,可以認為每個分子軌道上可以放兩個電子,這兩個電子的自旋相反。一個分子內的電子數目是有限的,但分子能級(及對應分子軌道)的數目無限。分子穩定性要求整個分子體系總能較低,所以電子會從能量較低的軌道開始排,N個電子會占據 N/2 個能級,這就是基態的電子構型。電子能級的間距一般為幾個電子伏特(eV)。

  影響一個孤立分子能量的因素除電子態以外還有分子的振動,其實就是原子核們會在平衡位置附近有小幅運動。這種運動表現為鍵長,鍵角,二面角以及更復雜的幾何因素的變化,量級一般在 0.0025 到 0.5 eV。通??梢园央娮幽芗壓驼駝幽芗壏珠_處理,可以得到下面的 Jablonski diagram,這里只列出了兩個電子態 S0 和 S1。每個電子態都可以看做一個振動態的 manifold。

1.png

  現在先看光子的吸收。起初分子處于基態,就是 S0 的 0,一個能量合適的光子打過來后,電子吸收了這個光子的能量,跳到第一電子激發態的第三振動激發態。這個過程中能量是守恒的,分子體系能量增加了 \hbar\omega, \hbar 為普朗克常數除以2\pi,\omega為光子角頻率。當然,如果光子能量稍多或稍少,電子會跳到更高或者更低的某個態上,如果這個態存在的話。

  吸收完成后,分子處于一個不怎么穩定的狀態,有放出能量回到基態的趨勢。這個放出能量有多種途徑,比如圖中的紅色箭頭,是振動能級的弛預,通過分子之間的碰撞等過程把振動能量變成分子動能,宏觀上來看體系溫度升高,也就是變成了熱。通過某種方式弛預到第一激發態的振動基態后,發生電子躍遷,回到電子基態。這個躍遷的終態也是有多種可能的,可以回到電子基態的任意振動激發態。這個過程中,體系發出光子,能量降低,即為熒光。

  從吸收到發射中間有一個時間差,可以認為這是電子激發態的壽命。隨體系不同, 激發態壽命會有很大差別。比如某些血紅素蛋白為幾十個飛秒(1E-15s),苯酚的第一激發態壽命大概在幾個納秒(1E-9s)。激發后,熒光強度隨時間指數式衰減。

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  補充

  延時很長時間的熒光材料當然是存在的,比如說題目中的熒光粉啥的。關于熒光材料這塊我不熟,就著找到材料簡單說一把,請專家指正。

  前面說的熒光是一個非常簡化的模型,適用于非常簡單的體系,比如單個不大的分子。。

  常用的熒光材料有很多,我搜到了一個“大連XX發光科技股份有限公司”,產品滿世界賣,他們網站上列舉了幾類目前常用的熒光材料。下面拿其中一種來做例子,ZnS:Cu,就是往硫化鋅里面摻雜銅。參考了 【S. Shionoya, H. P. Kallmann, and B. Kramer, Phys. Rev. 121, 1607(1961)】,好老的文獻。。。。

2.jpg

  硫化鋅是半導體,帶隙 3.54 eV(立方)或 3.91 eV(六方)。摻雜銅后,Cu在帶隙內引入摻雜態,就是圖中的 A 和 A*。體系吸收光子后,電子從價帶(V)激發到導帶(C),這也可以叫做電子-空穴對。這個電子空穴對在體系里各種相互作用的影響下運動,它們可以重新組合,變成基態電子,放出光子。但現實中體系的晶格會出現各種缺陷,這些缺陷會導致帶隙內產生 traps,激發后的電子被trap捕獲后就跳不回基態了。當然被捕獲的電子還可能逃離 trap,比如通過升高溫度加劇熱運動等。逃離后又有可能躍遷回價帶,導致發光。因此發光的延續或者延遲時間跟很多因素有關,比如激發光強,trap濃度,半導體帶隙,摻雜態的能級位置,溫度等。在【PR, 121, 1607】里面,他們做的實驗是可以延續半小時左右。當然現在應該有發光延續時間更長的材料。

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  再補充

  還有種可以長時間發光的東西叫 radioluminescent XX,就是把含有放射性同位素的成分跟前面說的發光材料混起來,比如說 ZnS:Cu。較早用的放射性材料是鐳-226 (半衰期 1601 年),現在用的比較多的是氚(12.32 年)、钷-147(2.62 年)、鍶-90(28.79 年),碳-14(5730 年)等。

  放射性同位素衰變產生的 \alpha 粒子(氦核)或者 \beta 粒子(電子)將半導體材料價帶中的電子激發,然后跟上面的過程一樣,導致發光。


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