Люминесцентные и фотонные материалы

Люминесцентные материалы преобразуют поглощенную энергию в излучаемый свет через активаторные центры в кристаллической решетке, в то время как фотонные материалы используют периодическую структуру для управления распространением света; оба типа основаны на химии взаимодействия света и вещества в твердых телах.

Definition

Люминесцентные материалы — это твердые тела, которые излучают свет при возбуждении фотонами, электронами или другой энергией через локализованные оптические центры в кристаллической решетке; фотонные материалы — это твердые тела, чье периодическое изменение показателя преломления контролирует распространение света, в том числе путем формирования фотонных запрещенных зон.

Scope

Эта тема охватывает твердые тела, предназначенные для излучения или управления светом: люминофоры, в которых ионы-активаторы, часто легирующие элементы из группы редкоземельных или переходных металлов, люминесцируют внутри кристалла-хозяина; химию взаимодействия хозяин-активатор, перенос энергии и конфигурационно-координатную модель, которые определяют цвет и эффективность излучения; а также фотонные материалы, чья периодическая диэлектрическая структура создает фотонные запрещенные зоны, формирующие поток света. Она связывает оптические центры и структуру с освещением, дисплеями и оптическими компонентами.

Core questions

• Как активаторные центры в кристаллической решетке производят люминесценцию?
• Что определяет цвет и эффективность излучения люминофора?
• Как перенос энергии между центрами влияет на люминесценцию?
• Как фотонные структуры управляют распространением света?

Key concepts

• Кристаллическая решетка и активатор
• Центры редкоземельных и переходных металлов
• Конфигурационно-координатная модель
• Перенос энергии и тушение
• Фотонная запрещенная зона
• Локализация и направленное распространение света

Key theories

Люминесценция хозяин-активатор

Излучение в люминофорах происходит за счет оптических переходов ионов-активаторов, внедренных в матрицу; матрица и локальное координационное окружение определяют энергетические уровни, а конфигурационно-координатная модель объясняет поглощение, излучение и термическое тушение.

Фотонные запрещенные зоны

Периодическое расположение диэлектрических материалов может запрещать распространение света в определенных частотных диапазонах, создавая фотонную запрещенную зону, аналогичную электронной запрещенной зоне, и позволяя локализовать, направлять и манипулировать светом.

Mechanisms

Ион-активатор поглощает энергию и переходит в возбужденное состояние, из которого он релаксирует излучательно, испуская фотон, энергия которого определяется центром и его окружением; конкурирующие безызлучательные релаксации и перенос энергии к центрам тушения снижают эффективность, в то время как в фотонных кристаллах интерференция от периодической структуры запрещает определенные оптические моды.

Clinical relevance

Люминесцентные и фотонные материалы обеспечивают технологии белого света и дисплеев: люминофоры преобразуют излучение светодиодов и люминесцентных ламп в пригодные для использования цвета, сцинтилляторы и рентгеновские люминофоры используются в визуализации, а фотонные структуры направляют и фильтруют свет в оптических волокнах, лазерах и интегрированных фотонных устройствах.

History

Химия люминофоров развивалась на протяжении двадцатого века для люминесцентного освещения и электронно-лучевых дисплеев, при этом редкоземельные активаторы были систематизированы в таких работах, как труды Блассе и Грабмайера. Концепция фотонной запрещенной зоны, независимо введенная Яблоновичем и Джоном в 1987 году, открыла возможности для разработки фотонных кристаллов для управления светом, дополняя люминесцентную химию в современной оптической технологии.

Key figures

• George Blasse
• Eli Yablonovitch
• Sajeev John

Seminal works

• blasse1994
• joannopoulos2008

Frequently asked questions

Почему белому светодиоду нужен люминофор?

Светоизлучающий диод обычно излучает узкий диапазон цвета, часто синий. Люминофорное покрытие поглощает часть этого света и переизлучает его на более длинных волнах, так что комбинация пропущенного и преобразованного света смешивается, создавая впечатление белого.

Что такое фотонная запрещенная зона?

Это диапазон частот света, который не может распространяться через материал, показатель преломления которого периодически изменяется в масштабе длины волны. Свет в этом диапазоне отражается или локализуется, а не передается, подобно тому как запрещенная энергетическая зона блокирует электроны в полупроводнике.