วัสดุเรืองแสงและวัสดุโฟโตนิก

วัสดุเรืองแสงจะเปลี่ยนพลังงานที่ดูดซับไปเป็นแสงที่ปล่อยออกมาผ่านศูนย์กลางกระตุ้นในโครงสร้างหลัก ในขณะที่วัสดุโฟโตนิกใช้โครงสร้างเป็นคาบเพื่อควบคุมการแพร่กระจายของแสง ทั้งสองชนิดอาศัยเคมีของอันตรกิริยาระหว่างแสงกับสสารในของแข็ง

Definition

วัสดุเรืองแสงคือของแข็งที่ปล่อยแสงเมื่อถูกกระตุ้นด้วยโฟตอน, อิเล็กตรอน, หรือพลังงานอื่น ๆ ผ่านศูนย์กลางทางแสงเฉพาะที่ในโครงสร้างหลัก; วัสดุโฟโตนิกคือของแข็งที่มีการเปลี่ยนแปลงดัชนีหักเหเป็นคาบซึ่งควบคุมการแพร่กระจายของแสง รวมถึงการสร้างช่องว่างแถบโฟโตนิก

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมของแข็งที่ออกแบบมาเพื่อปล่อยหรือควบคุมแสง: สารเรืองแสงที่ไอออนกระตุ้น ซึ่งมักเป็นสารเจือปนธาตุหายากหรือโลหะทรานซิชัน จะเรืองแสงภายในผลึกหลัก; เคมีของโครงสร้างหลัก-ตัวกระตุ้น, การถ่ายโอนพลังงาน, และภาพพิกัดเชิงโครงสร้างที่ควบคุมสีและประสิทธิภาพการปล่อยแสง; และวัสดุโฟโตนิกที่มีโครงสร้างไดอิเล็กตริกเป็นคาบซึ่งสร้างช่องว่างแถบโฟโตนิกที่ควบคุมการไหลของแสง หัวข้อนี้เชื่อมโยงศูนย์กลางทางแสงและโครงสร้างเข้ากับการให้แสงสว่าง, จอแสดงผล, และส่วนประกอบทางแสง

Core questions

• ศูนย์กลางกระตุ้นในโครงสร้างหลักสร้างการเรืองแสงได้อย่างไร?
• อะไรเป็นตัวควบคุมสีและประสิทธิภาพของการปล่อยแสงของสารเรืองแสง?
• การถ่ายโอนพลังงานระหว่างศูนย์กลางส่งผลต่อการเรืองแสงอย่างไร?
• โครงสร้างโฟโตนิกควบคุมการแพร่กระจายของแสงได้อย่างไร?

Key concepts

• โครงสร้างหลักและตัวกระตุ้น
• ศูนย์กลางธาตุหายากและโลหะทรานซิชัน
• แบบจำลองพิกัดเชิงโครงสร้าง
• การถ่ายโอนพลังงานและการดับแสง
• ช่องว่างแถบโฟโตนิก
• การกักเก็บและการนำแสง

Key theories

การเรืองแสงของโครงสร้างหลัก-ตัวกระตุ้น

การปล่อยแสงในสารเรืองแสงมาจากการเปลี่ยนผ่านทางแสงของไอออนกระตุ้นที่ฝังอยู่ในโครงสร้างหลัก; โครงสร้างหลักและการประสานงานเฉพาะที่กำหนดระดับพลังงาน และแบบจำลองพิกัดเชิงโครงสร้างอธิบายการดูดกลืน, การปล่อยแสง, และการดับแสงด้วยความร้อน

ช่องว่างแถบโฟโตนิก

การจัดเรียงวัสดุไดอิเล็กตริกเป็นคาบสามารถห้ามการแพร่กระจายของแสงในช่วงความถี่บางช่วง สร้างช่องว่างแถบโฟโตนิกที่คล้ายคลึงกับช่องว่างแถบอิเล็กตรอน และช่วยให้แสงถูกกักเก็บ, นำทาง, และควบคุมได้

Mechanisms

ไอออนกระตุ้นดูดซับพลังงานและถูกยกขึ้นสู่สถานะกระตุ้นซึ่งจะคลายตัวแบบแผ่รังสี ปล่อยโฟตอนที่มีพลังงานกำหนดโดยศูนย์กลางและสภาพแวดล้อม; การคลายตัวแบบไม่แผ่รังสีและการถ่ายโอนพลังงานไปยังตำแหน่งดับแสงที่แข่งขันกันจะลดประสิทธิภาพลง ในขณะที่ในผลึกโฟโตนิก การรบกวนจากโครงสร้างเป็นคาบจะห้ามโหมดทางแสงบางอย่าง

Clinical relevance

วัสดุเรืองแสงและวัสดุโฟโตนิกช่วยให้เทคโนโลยีแสงสีขาวและจอแสดงผลเป็นไปได้: สารเรืองแสงเปลี่ยนการปล่อยแสงของไดโอดเปล่งแสงและหลอดฟลูออเรสเซนต์ให้เป็นสีที่ใช้งานได้, สารเรืองแสงและสารเรืองแสงเอ็กซ์เรย์ใช้ในการถ่ายภาพ, และโครงสร้างโฟโตนิกนำและกรองแสงในใยแก้วนำแสง, เลเซอร์, และอุปกรณ์โฟโตนิกแบบรวมวงจร

History

เคมีของสารเรืองแสงพัฒนาขึ้นตลอดศตวรรษที่ 20 สำหรับหลอดฟลูออเรสเซนต์และจอแสดงผลแบบหลอดรังสีแคโทด โดยมีสารกระตุ้นธาตุหายากที่ถูกจัดระบบในงานเขียนเช่นของ Blasse และ Grabmaier แนวคิดของช่องว่างแถบโฟโตนิก ซึ่งนำเสนอโดย Yablonovitch และ John อย่างอิสระในปี 1987 ได้เปิดการออกแบบผลึกโฟโตนิกสำหรับการควบคุมแสง ซึ่งเสริมเคมีเรืองแสงในเทคโนโลยีทางแสงสมัยใหม่

Key figures

• George Blasse
• Eli Yablonovitch
• Sajeev John

Seminal works

• blasse1994
• joannopoulos2008

Frequently asked questions

ทำไม LED สีขาวจึงต้องการสารเรืองแสง?

โดยทั่วไปไดโอดเปล่งแสงจะปล่อยแสงในช่วงสีที่แคบ ซึ่งมักจะเป็นสีน้ำเงิน การเคลือบสารเรืองแสงจะดูดซับแสงส่วนหนึ่งและปล่อยออกมาใหม่ที่ความยาวคลื่นที่ยาวกว่า ดังนั้นการรวมกันของแสงที่ส่งผ่านและแสงที่เปลี่ยนรูปจะผสมกันจนปรากฏเป็นสีขาว

ช่องว่างแถบโฟโตนิกคืออะไร?

เป็นช่วงความถี่ของแสงที่ไม่สามารถแพร่กระจายผ่านวัสดุที่มีดัชนีหักเหแปรผันเป็นคาบในระดับความยาวคลื่น แสงในช่วงนั้นจะถูกสะท้อนหรือกักเก็บไว้แทนที่จะส่งผ่าน คล้ายกับแถบพลังงานต้องห้ามที่กั้นอิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนำ