Materiales luminiscentes y fotónicos
Los materiales luminiscentes convierten la energía absorbida en luz emitida a través de centros activadores en una red anfitriona, mientras que los materiales fotónicos utilizan una estructura periódica para controlar cómo se propaga la luz; ambos se basan en la química de la interacción luz-materia en sólidos.
Definition
Los materiales luminiscentes son sólidos que emiten luz cuando son excitados por fotones, electrones u otra energía, a través de centros ópticos localizados en una red anfitriona; los materiales fotónicos son sólidos cuya variación periódica en el índice de refracción controla la propagación de la luz, incluso mediante la formación de bandas prohibidas fotónicas.
Scope
Este tema abarca los sólidos diseñados para emitir o dirigir la luz: los fósforos en los que los iones activadores, a menudo dopantes de tierras raras o metales de transición, luminiscen dentro de un cristal anfitrión; la química anfitrión-activador, la transferencia de energía y el modelo de coordenadas configuracionales que rigen el color y la eficiencia de la emisión; y los materiales fotónicos cuya estructura dieléctrica periódica crea bandas prohibidas fotónicas que moldean el flujo de luz. Vincula los centros ópticos y la estructura con la iluminación, las pantallas y los componentes ópticos.
Core questions
- ¿Cómo producen luminiscencia los centros activadores en una red anfitriona?
- ¿Qué controla el color y la eficiencia de la emisión de un fósforo?
- ¿Cómo afecta la transferencia de energía entre centros a la luminiscencia?
- ¿Cómo controlan las estructuras fotónicas la propagación de la luz?
Key concepts
- Red anfitriona y activador
- Centros de tierras raras y metales de transición
- Modelo de coordenadas configuracionales
- Transferencia de energía y extinción
- Banda prohibida fotónica
- Confinamiento y guiado de la luz
Key theories
- Luminiscencia anfitrión-activador
- La emisión en los fósforos proviene de transiciones ópticas de iones activadores incrustados en un anfitrión; el anfitrión y la coordinación local establecen los niveles de energía, y el modelo de coordenadas configuracionales explica la absorción, la emisión y la extinción térmica.
- Bandas prohibidas fotónicas
- Una disposición periódica de materiales dieléctricos puede prohibir la propagación de la luz en ciertos rangos de frecuencia, creando una banda prohibida fotónica análoga a la banda prohibida electrónica y permitiendo que la luz sea confinada, guiada y manipulada.
Mechanisms
Un ion activador absorbe energía y es elevado a un estado excitado desde el cual se relaja radiativamente, emitiendo un fotón cuya energía es establecida por el centro y su entorno; la relajación no radiativa competitiva y la transferencia de energía a los sitios de extinción reducen la eficiencia, mientras que en los cristales fotónicos la interferencia de la estructura periódica prohíbe ciertos modos ópticos.
Clinical relevance
Los materiales luminiscentes y fotónicos posibilitan la tecnología de luz blanca y pantallas: los fósforos convierten la emisión de diodos emisores de luz y lámparas fluorescentes en colores utilizables, los centelleadores y los fósforos de rayos X sirven para la obtención de imágenes, y las estructuras fotónicas guían y filtran la luz en fibras ópticas, láseres y dispositivos fotónicos integrados.
History
La química de los fósforos se desarrolló a lo largo del siglo XX para la iluminación fluorescente y las pantallas de rayos catódicos, con activadores de tierras raras codificados en obras como las de Blasse y Grabmaier. El concepto de la banda prohibida fotónica, introducido independientemente por Yablonovitch y John en 1987, abrió el diseño de cristales fotónicos para controlar la luz, complementando la química luminiscente en la tecnología óptica moderna.
Key figures
- George Blasse
- Eli Yablonovitch
- Sajeev John
Related topics
Seminal works
- blasse1994
- joannopoulos2008
Frequently asked questions
- ¿Por qué un LED blanco necesita un fósforo?
- Un diodo emisor de luz suele emitir una banda estrecha de color, a menudo azul. Un recubrimiento de fósforo absorbe parte de esa luz y la reemite en longitudes de onda más largas, de modo que la combinación de luz transmitida y convertida se mezcla para aparecer blanca.
- ¿Qué es una banda prohibida fotónica?
- Es un rango de frecuencias de luz que no puede propagarse a través de un material cuyo índice de refracción varía periódicamente en la escala de la longitud de onda. La luz en ese rango se refleja o se confina en lugar de transmitirse, de forma muy similar a como una banda de energía prohibida bloquea los electrones en un semiconductor.