Materiais Luminescentes e Fotónicos

Materiais luminescentes convertem energia absorvida em luz emitida através de centros ativadores numa rede hospedeira, enquanto materiais fotónicos utilizam uma estrutura periódica para controlar a propagação da luz; ambos se baseiam na química da interação luz-matéria em sólidos.

Definition

Materiais luminescentes são sólidos que emitem luz quando excitados por fotões, eletrões ou outra energia, através de centros ópticos localizados numa rede hospedeira; materiais fotónicos são sólidos cuja variação periódica no índice de refração controla a propagação da luz, incluindo pela formação de bandas proibidas fotónicas.

Scope

Este tópico abrange sólidos projetados para emitir ou direcionar luz: fósforos nos quais iões ativadores, frequentemente dopantes de terras raras ou metais de transição, luminescem dentro de um cristal hospedeiro; a química hospedeiro-ativador, a transferência de energia e o modelo de coordenadas configuracionais que governam a cor e a eficiência da emissão; e materiais fotónicos cuja estrutura dielétrica periódica cria bandas proibidas fotónicas que moldam o fluxo de luz. Liga centros ópticos e estrutura à iluminação, ecrãs e componentes ópticos.

Core questions

• Como os centros ativadores numa rede hospedeira produzem luminescência?
• O que controla a cor e a eficiência da emissão de um fósforo?
• Como a transferência de energia entre centros afeta a luminescência?
• Como as estruturas fotónicas controlam a propagação da luz?

Key concepts

• Rede hospedeira e ativador
• Centros de terras raras e metais de transição
• Modelo de coordenadas configuracionais
• Transferência de energia e extinção
• Banda proibida fotónica
• Confinamento e guiamento da luz

Key theories

Luminiscência hospedeiro-ativador

A emissão em fósforos provém de transições ópticas de iões ativadores incorporados num hospedeiro; o hospedeiro e a coordenação local definem os níveis de energia, e o modelo de coordenadas configuracionais explica a absorção, emissão e extinção térmica.

Bandas proibidas fotónicas

Um arranjo periódico de materiais dielétricos pode proibir a propagação da luz em certas gamas de frequência, criando uma banda proibida fotónica análoga à banda proibida eletrónica e permitindo que a luz seja confinada, guiada e manipulada.

Mechanisms

Um ião ativador absorve energia e é elevado a um estado excitado do qual relaxa radiativamente, emitindo um fotão cuja energia é definida pelo centro e seu ambiente; a relaxação não-radiativa concorrente e a transferência de energia para locais de extinção reduzem a eficiência, enquanto em cristais fotónicos a interferência da estrutura periódica proíbe certos modos ópticos.

Clinical relevance

Materiais luminescentes e fotónicos possibilitam a tecnologia de luz branca e ecrãs: fósforos convertem a emissão de díodos emissores de luz e lâmpadas fluorescentes em cores utilizáveis, cintiladores e fósforos de raios-X servem à imagem, e estruturas fotónicas guiam e filtram a luz em fibras ópticas, lasers e dispositivos fotónicos integrados.

History

A química dos fósforos desenvolveu-se ao longo do século XX para iluminação fluorescente e ecrãs de raios catódicos, com ativadores de terras raras codificados em obras como as de Blasse e Grabmaier. O conceito de banda proibida fotónica, introduzido independentemente por Yablonovitch e John em 1987, abriu o design de cristais fotónicos para controlar a luz, complementando a química luminescente na tecnologia óptica moderna.

Key figures

• George Blasse
• Eli Yablonovitch
• Sajeev John

Seminal works

• blasse1994
• joannopoulos2008

Frequently asked questions

Por que um LED branco precisa de um fósforo?

Um díodo emissor de luz tipicamente emite uma banda estreita de cor, frequentemente azul. Um revestimento de fósforo absorve parte dessa luz e a reemite em comprimentos de onda mais longos, de modo que a combinação de luz transmitida e convertida se mistura para parecer branca.

O que é uma banda proibida fotónica?

É uma gama de frequências de luz que não pode propagar-se através de um material cujo índice de refração varia periodicamente na escala do comprimento de onda. A luz nessa gama é refletida ou confinada em vez de transmitida, tal como uma banda de energia proibida bloqueia eletrões num semicondutor.