Vật liệu phát quang và quang tử

Vật liệu phát quang chuyển đổi năng lượng hấp thụ thành ánh sáng phát ra thông qua các tâm kích hoạt trong mạng tinh thể chủ, trong khi vật liệu quang tử sử dụng cấu trúc tuần hoàn để kiểm soát cách ánh sáng truyền đi; cả hai đều dựa trên hóa học tương tác giữa ánh sáng và vật chất trong chất rắn.

Definition

Vật liệu phát quang là chất rắn phát ra ánh sáng khi bị kích thích bởi photon, electron hoặc năng lượng khác, thông qua các tâm quang học cục bộ trong mạng tinh thể chủ; vật liệu quang tử là chất rắn có sự biến đổi tuần hoàn về chiết suất kiểm soát sự truyền ánh sáng, bao gồm cả việc hình thành các dải cấm quang tử.

Scope

Chủ đề này bao gồm các chất rắn được thiết kế để phát ra hoặc điều hướng ánh sáng: phốt pho trong đó các ion kích hoạt, thường là các chất pha tạp đất hiếm hoặc kim loại chuyển tiếp, phát quang trong một tinh thể chủ; hóa học chủ-kích hoạt, sự truyền năng lượng và mô hình tọa độ cấu hình điều chỉnh màu sắc và hiệu suất phát xạ; và các vật liệu quang tử có cấu trúc điện môi tuần hoàn tạo ra các dải cấm quang tử định hình dòng chảy của ánh sáng. Nó liên kết các tâm quang học và cấu trúc với chiếu sáng, màn hình và các thành phần quang học.

Core questions

• Các tâm kích hoạt trong mạng tinh thể chủ tạo ra sự phát quang như thế nào?
• Điều gì kiểm soát màu sắc và hiệu suất phát xạ của phốt pho?
• Sự truyền năng lượng giữa các tâm ảnh hưởng đến sự phát quang như thế nào?
• Các cấu trúc quang tử kiểm soát sự truyền ánh sáng như thế nào?

Key concepts

• Mạng tinh thể chủ và chất kích hoạt
• Các tâm đất hiếm và kim loại chuyển tiếp
• Mô hình tọa độ cấu hình
• Truyền năng lượng và dập tắt
• Dải cấm quang tử
• Giới hạn và dẫn hướng ánh sáng

Key theories

Phát quang chủ-kích hoạt

Sự phát xạ trong phốt pho đến từ các chuyển đổi quang học của các ion kích hoạt được nhúng trong một chất chủ; chất chủ và sự phối trí cục bộ thiết lập các mức năng lượng, và mô hình tọa độ cấu hình giải thích sự hấp thụ, phát xạ và dập tắt nhiệt.

Dải cấm quang tử

Một sự sắp xếp tuần hoàn của các vật liệu điện môi có thể cấm sự truyền ánh sáng trong một số dải tần số nhất định, tạo ra một dải cấm quang tử tương tự như dải cấm điện tử và cho phép ánh sáng được giới hạn, dẫn hướng và điều khiển.

Mechanisms

Một ion kích hoạt hấp thụ năng lượng và được nâng lên trạng thái kích thích, từ đó nó thư giãn bức xạ, phát ra một photon có năng lượng được thiết lập bởi tâm và môi trường của nó; sự thư giãn không bức xạ cạnh tranh và sự truyền năng lượng đến các vị trí dập tắt làm giảm hiệu suất, trong khi trong các tinh thể quang tử, sự giao thoa từ cấu trúc tuần hoàn cấm một số chế độ quang học nhất định.

Clinical relevance

Vật liệu phát quang và quang tử cho phép công nghệ ánh sáng trắng và màn hình: phốt pho chuyển đổi phát xạ của điốt phát quang và đèn huỳnh quang thành màu sắc có thể sử dụng, chất nhấp nháy và phốt pho X-quang phục vụ hình ảnh, và cấu trúc quang tử dẫn hướng và lọc ánh sáng trong sợi quang, laser và các thiết bị quang tử tích hợp.

History

Hóa học của phốt pho phát triển trong suốt thế kỷ XX cho chiếu sáng huỳnh quang và màn hình tia âm cực, với các chất kích hoạt đất hiếm được hệ thống hóa trong các công trình như của Blasse và Grabmaier. Khái niệm về dải cấm quang tử, được Yablonovitch và John giới thiệu độc lập vào năm 1987, đã mở ra thiết kế tinh thể quang tử để kiểm soát ánh sáng, bổ sung cho hóa học phát quang trong công nghệ quang học hiện đại.

Key figures

• George Blasse
• Eli Yablonovitch
• Sajeev John

Seminal works

• blasse1994
• joannopoulos2008

Frequently asked questions

Tại sao đèn LED trắng cần phốt pho?

Một điốt phát quang thường phát ra một dải màu hẹp, thường là màu xanh lam. Một lớp phủ phốt pho hấp thụ một phần ánh sáng đó và phát lại ở bước sóng dài hơn, do đó sự kết hợp của ánh sáng truyền qua và ánh sáng chuyển đổi hòa trộn để tạo ra màu trắng.

Dải cấm quang tử là gì?

Đó là một dải tần số ánh sáng không thể truyền qua một vật liệu có chiết suất biến đổi tuần hoàn theo thang bước sóng. Ánh sáng trong dải đó bị phản xạ hoặc giới hạn thay vì truyền qua, giống như một dải năng lượng cấm chặn các electron trong chất bán dẫn.