Lumineszierende und photonische Materialien

Lumineszierende Materialien wandeln absorbierte Energie durch Aktivatorzentren in einem Wirtsgitter in emittiertes Licht um, während photonische Materialien eine periodische Struktur nutzen, um die Lichtausbreitung zu steuern; beide basieren auf der Chemie der Licht-Materie-Wechselwirkung in Festkörpern.

Definition

Lumineszierende Materialien sind Festkörper, die Licht emittieren, wenn sie durch Photonen, Elektronen oder andere Energie angeregt werden, und zwar durch lokalisierte optische Zentren in einem Wirtsgitter; photonische Materialien sind Festkörper, deren periodische Variation des Brechungsindex die Ausbreitung von Licht steuert, einschließlich der Bildung photonischer Bandlücken.

Scope

Dieses Thema behandelt Festkörper, die dazu bestimmt sind, Licht zu emittieren oder zu lenken: Phosphore, in denen Aktivatorionen, oft Seltenerd- oder Übergangsmetalldotierungen, innerhalb eines Wirtskristalls lumineszieren; die Wirt-Aktivator-Chemie, Energieübertragung und das Konfigurationskoordinatenbild, die die Emissionsfarbe und -effizienz bestimmen; und photonische Materialien, deren periodische dielektrische Struktur photonische Bandlücken erzeugt, die den Lichtfluss formen. Es verknüpft optische Zentren und Struktur mit Beleuchtung, Displays und optischen Komponenten.

Core questions

• Wie erzeugen Aktivatorzentren in einem Wirtsgitter Lumineszenz?
• Was steuert die Farbe und Effizienz der Emission eines Phosphors?
• Wie beeinflusst die Energieübertragung zwischen Zentren die Lumineszenz?
• Wie steuern photonische Strukturen die Ausbreitung von Licht?

Key concepts

• Wirtsgitter und Aktivator
• Seltenerd- und Übergangsmetallzentren
• Konfigurationskoordinatenmodell
• Energieübertragung und Quenching
• Photonische Bandlücke
• Lichteinschluss und -führung

Key theories

Wirt-Aktivator-Lumineszenz

Die Emission in Phosphoren stammt von optischen Übergängen von Aktivatorionen, die in einem Wirt eingebettet sind; der Wirt und die lokale Koordination legen die Energieniveaus fest, und das Konfigurationskoordinatenmodell erklärt Absorption, Emission und thermisches Quenching.

Photonische Bandlücken

Eine periodische Anordnung dielektrischer Materialien kann die Ausbreitung von Licht in bestimmten Frequenzbereichen verbieten, wodurch eine photonische Bandlücke entsteht, die der elektronischen Bandlücke analog ist und es ermöglicht, Licht einzuschließen, zu leiten und zu manipulieren.

Mechanisms

Ein Aktivatorion absorbiert Energie und wird in einen angeregten Zustand versetzt, aus dem es strahlend relaxiert und ein Photon emittiert, dessen Energie durch das Zentrum und seine Umgebung bestimmt wird; konkurrierende nicht-strahlende Relaxation und Energieübertragung zu Quench-Stellen reduzieren die Effizienz, während in photonischen Kristallen die Interferenz durch periodische Struktur bestimmte optische Moden verbietet.

Clinical relevance

Lumineszierende und photonische Materialien ermöglichen Weißlicht- und Displaytechnologien: Phosphore wandeln die Emission von Leuchtdioden und Leuchtstofflampen in nutzbare Farben um, Szintillatoren und Röntgenphosphore dienen der Bildgebung, und photonische Strukturen leiten und filtern Licht in Glasfasern, Lasern und integrierten photonischen Bauelementen.

History

Die Chemie der Phosphore entwickelte sich im Laufe des zwanzigsten Jahrhunderts für Leuchtstofflampen und Kathodenstrahlröhren, wobei Seltenerd-Aktivatoren in Werken wie denen von Blasse und Grabmaier kodifiziert wurden. Das Konzept der photonischen Bandlücke, das 1987 unabhängig voneinander von Yablonovitch und John eingeführt wurde, eröffnete das Design photonischer Kristalle zur Lichtsteuerung und ergänzte die lumineszierende Chemie in der modernen optischen Technologie.

Key figures

• George Blasse
• Eli Yablonovitch
• Sajeev John

Seminal works

• blasse1994
• joannopoulos2008

Frequently asked questions

Warum benötigt eine weiße LED einen Phosphor?

Eine Leuchtdiode emittiert typischerweise ein schmales Farbspektrum, oft blau. Eine Phosphorbeschichtung absorbiert einen Teil dieses Lichts und emittiert es bei längeren Wellenlängen wieder, sodass die Kombination aus durchgelassenem und umgewandeltem Licht weiß erscheint.

Was ist eine photonische Bandlücke?

Es ist ein Bereich von Lichtfrequenzen, die sich nicht durch ein Material ausbreiten können, dessen Brechungsindex periodisch im Bereich der Wellenlänge variiert. Licht in diesem Bereich wird reflektiert oder eingeschlossen, anstatt durchgelassen zu werden, ähnlich wie ein verbotenes Energieband Elektronen in einem Halbleiter blockiert.