発光材料とフォトニック材料

発光材料は、ホスト格子中の活性化中心を介して吸収されたエネルギーを発光に変換する一方、フォトニック材料は周期的な構造を利用して光の伝播を制御します。どちらも固体中の光と物質の相互作用の化学に基づいています。

Definition

発光材料とは、ホスト格子中の局在化した光学中心を介して、光子、電子、またはその他のエネルギーによって励起されたときに光を放出する固体です。フォトニック材料とは、屈折率の周期的な変化が光の伝播を制御する固体であり、フォトニックバンドギャップの形成も含まれます。

Scope

このトピックでは、光を放出または制御するように設計された固体について扱います。具体的には、活性化イオン（しばしば希土類または遷移金属ドーパント）がホスト結晶内で発光する蛍光体、発光色と効率を決定するホストと活性化剤の化学、エネルギー移動、および配置座標図、そして周期的な誘電体構造がフォトニックバンドギャップを生成し、光の流れを形成するフォトニック材料についてです。これは、光学中心と構造を照明、ディスプレイ、および光学部品に結びつけます。

Core questions

• ホスト格子中の活性化中心はどのように発光を生成するのでしょうか？
• 蛍光体の発光の色と効率は何によって制御されるのでしょうか？
• 中心間のエネルギー移動は発光にどのように影響するのでしょうか？
• フォトニック構造は光の伝播をどのように制御するのでしょうか？

Key concepts

• ホスト格子と活性化剤
• 希土類および遷移金属中心
• 配置座標モデル
• エネルギー移動と消光
• フォトニックバンドギャップ
• 光の閉じ込めと導波

Key theories

ホスト-活性化剤発光

蛍光体における発光は、ホストに埋め込まれた活性化イオンの光学的遷移に由来します。ホストと局所的な配位がエネルギー準位を決定し、配置座標モデルが吸収、発光、および熱消光を説明します。

フォトニックバンドギャップ

誘電体材料の周期的な配置は、特定の周波数範囲における光の伝播を禁止することができ、電子バンドギャップに類似したフォトニックバンドギャップを生成し、光の閉じ込め、導波、および操作を可能にします。

Mechanisms

活性化イオンはエネルギーを吸収して励起状態になり、そこから放射的に緩和して光子を放出します。この光子のエネルギーは中心とその環境によって決定されます。競合する非放射緩和や消光サイトへのエネルギー移動は効率を低下させ、一方、フォトニック結晶では周期的な構造からの干渉が特定の光モードを禁止します。

Clinical relevance

発光材料とフォトニック材料は、白色光およびディスプレイ技術を可能にします。蛍光体は発光ダイオードや蛍光灯の発光を使用可能な色に変換し、シンチレーターやX線蛍光体はイメージングに利用され、フォトニック構造は光ファイバー、レーザー、集積フォトニックデバイスにおいて光を導き、フィルタリングします。

History

蛍光体の化学は、蛍光灯や陰極線ディスプレイのために20世紀を通じて発展し、ブラッセとグラブマイヤーの著作などで希土類活性化剤が体系化されました。ヤブロノビッチとジョンが1987年にそれぞれ独立して導入したフォトニックバンドギャップの概念は、光を制御するためのフォトニック結晶の設計を開き、現代の光学技術における発光化学を補完しています。

Key figures

• George Blasse
• Eli Yablonovitch
• Sajeev John

Seminal works

• blasse1994
• joannopoulos2008

Frequently asked questions

白色LEDになぜ蛍光体が必要なのですか？

発光ダイオードは通常、狭い帯域の色、しばしば青色を発します。蛍光体コーティングはその光の一部を吸収し、より長い波長で再放出するため、透過光と変換光の組み合わせが混ざり合って白色に見えます。

フォトニックバンドギャップとは何ですか？

それは、屈折率が波長スケールで周期的に変化する材料を光が伝播できない光の周波数範囲です。その範囲の光は、半導体における禁止エネルギー帯が電子をブロックするのと同様に、透過するのではなく反射または閉じ込められます。