光致发光

光致发光（Photoluminescence，简称PL）是冷发光的一种，指物质吸收光子（或电磁波）后重新辐射出光子（或电磁波）的过程。从量子力学理论上，这一过程可以描述为物质吸收光子跃迁到较高能级的激发态后返回低能态，同时放出光子的过程。光致发光可按延迟时间分为荧光（fluorescence）和磷光（phosphorescence）。

光致发光是一种探测材料电子结构的方法，它与材料无接触且不损坏材料。光直接照射到材料上，被材料吸收并将多余能量传递给材料，这个过程叫做光激发。这些多余的能量可以通过发光的形式消耗掉。由于光激发而发光的过程叫做光致发光。光致发光的光谱结构和光强是测量许多重要材料的直接手段。

光激发导致材料内部的电子跃迁到允许的激发态。当这些电子回到他们的热平衡态时，多余的能量可以通过发光过程和非辐射过程释放。光致发光辐射光的能量是与两个电子态间不同的能级差相联系的，这其中涉及到了激发态与平衡态之间的跃迁。激发光的数量是与辐射过程的贡献相联系的。

光致发光可以应用于：带隙检测、杂质等级和缺陷检测、复合机制以及材料品质鉴定。

光致发光材料

常见的具有光致发光的化合物见下表：

化合物 化学式 激发光 发射光 注释
镨(III)化合物 Pr3+ 跃迁：
  • 1D2 → 3F4（1000 nm）
  • 1D2 → 1G4（1440 nm）
  • 1D2 → 3H4（600 nm），1D2 → 3H5（690 nm）
  • 3P0 → 3H4–6（490, 545, 615, 640 nm），3P0 → 3F2–4（700, 725 nm）[1]
钕(III)化合物 Nd3+
  • 4F3/2 → 4I9/2 – 13/2（900, 1060, 1350 nm）[1]
钐(III)化合物 Sm3+
  • 4G5/2 → 6H5/2 – 13/2（560, 595, 640, 700, 775 nm）
  • 4G5/2 → 6F1/2 – 9/2（870, 887, 926, 1010, 1150 nm）[1]
铕(II)化合物 Eu2+ 紫外光 蓝光[2]
铕(III)化合物 Eu3+ 紫外光 红光 特征峰的位置、强度及说明：
  • 5D0 → 7F0（570~585 nm），很弱至强，仅在Cn、Cnv和Cs对称性中观测到
  • 5D0 → 7F1（585~600 nm），强，强度很大程度上和（配位）环境相关
  • 5D0 → 7F2（610~630 nm），强至很强，跃迁敏感，峰很强，和环境相关
  • 5D0 → 7F3（640~660 nm），很弱至弱，禁带跃迁
  • 5D0 → 7F4（680~710 nm），中至强，强度和环境相关，但不敏感
  • 5D0 → 7F5（740~770 nm），很弱，禁带跃迁
  • 5D0 → 7F6（810~840 nm），很弱至中，很少测量/观测[3]
硫酸铕 Eu2(SO4)3 394 nm 红光
  • 5D0 → 7F0（580 nm）
  • 5D0 → 7F1（590 nm）
  • 5D0 → 7F2（614 nm），强
  • 5D0 → 7F3（652 nm）
  • 5D0 → 7F4（697 nm）[4]
硫酸铕四水合物 Eu2(H2O)4(SO4)3 306 nm 红光
  • 5D0 → 7F1（592 nm），中
  • 5D0 → 7F2（616 nm），强
  • 5D0 → 7F3（652.5 nm），弱
  • 5D0 → 7F4（698.5 nm），弱[5]
钆(III)化合物 Gd3+
  • 6P7/2 → 8S7/2（315 nm）[1]
铽(III)化合物 Tb3+ 紫外光 绿光
  • 5D4 → 7F6–0（490, 540, 580, 620, 650, 660, 675 nm）[1]
硫酸铽 Tb2(SO4)3 紫外光 绿光 特征峰545 nm[6]
乙酸铽四水合物 [Tb2(CH3COO)6(H2O)4]·4H2O 369 nm 绿光
  • 5D4 → 7F6（488 nm）
  • 5D4 → 7F5（543 nm），强峰
  • 5D4 → 7F4（583 nm）
  • 5D4 → 7F3（621 nm）[7]
镝(III)化合物 Dy3+
  • 4F9/2 → 6H15/2 – 9/2（475, 570, 660, 750 nm）
  • 4I15/2 → 6H15/2 – 9/2（455, 540, 615, 695 nm）[1]
钬(III)化合物 Ho3+
  • 5S2 → 5I8（545 nm）
  • 5S2 → 5I7（750 nm）
  • 5F5 → 5I8（650 nm）
  • 5F5 → 5I7（965 nm）[1]
铒(III)化合物 Er3+
  • 4S3/2 → 4I15/2（545 nm）
  • 4S3/2 → 4I13/2（850 nm）
  • 4F9/2 → 4I15/2（660 nm）
  • 4I9/2 → 4I15/2（810 nm）
  • 4I13/2 → 4I15/2（1540 nm）[1]
铥(III)化合物 Tm3+
  • 1D2 → 3F4（450 nm）
  • 1D2 → 3H4（650 nm）
  • 1D2 → 3F3（740 nm）
  • 1D2 → 3F2（775 nm）
  • 1G4 → 3H6（470 nm）
  • 1G4 → 3F4（650 nm）
  • 1G4 → 3H5（770 nm）
  • 3H4 → 3H6（800 nm）[1]
镱(III)化合物 Yb3+
  • 2F5/2 → 2F7/2（980 nm）[1]
四碘化四吡啶合四铜 Cu4I4(R-py)4 366 nm
  • R=H，黄（紫）
  • R=3,4-二甲基，红（紫）
  • R=2,4,6-三甲基，绿（淡绿）
  • R=2-甲基-5-乙基，碧绿（蓝）
  • R=3-甲氧羰基，无光（绿）
 括号外为25 °C时的光致发光，括号内为−196 °C的发光[8]

参考文献

  1. ^ 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 de Bettencourt-Dias, A. Luminescence of Lanthanide Ions in Coordination Compounds and Nanomaterials. Wiley. 2014: 11 [2021-10-20]. ISBN 978-1-119-95083-7. （原始内容存档于2021-10-20）. 
  2. ^ Bünzli, Jean-Claude. Europium in the limelight. Nature Chemistry (Springer Science and Business Media LLC). 2010, 2 (8): 696–696. ISSN 1755-4330. doi:10.1038/nchem.760. 
  3. ^ Binnemans, Koen. Interpretation of europium(III) spectra. Coordination Chemistry Reviews (Elsevier BV). 2015, 295: 1–45. ISSN 0010-8545. doi:10.1016/j.ccr.2015.02.015. 
  4. ^ Denisenko, Yu.G.; Aleksandrovsky, A.S.; Atuchin, V.V.; Krylov, A.S.; Molokeev, M.S.; Oreshonkov, A.S.; Shestakov, N.P.; Andreev, O.V. Exploration of structural, thermal and spectroscopic properties of self-activated sulfate Eu2(SO4)3 with isolated SO4 groups. Journal of Industrial and Engineering Chemistry (Elsevier BV). 2018, 68: 109–116. ISSN 1226-086X. doi:10.1016/j.jiec.2018.07.034. 
  5. ^ X. Zhang, Yu. Ma, H. Zhao, C. Jiang, Yu. Sun, Ya. Xu. Synthesis, characterization and very strong luminescence of a new 3 D europium sulfate Eu2(H2O)4(SO4)3. Journal of Structural Chemistry. 2011-10, 52 (5): 954–958 [2021-10-20]. ISSN 0022-4766. doi:10.1134/S0022476611050179 （英语）. 
  6. ^ Deng, Geng. Terbium glows green. Nature Chemistry (Springer Science and Business Media LLC). 2017-12-19, 10 (1): 110–110. ISSN 1755-4330. doi:10.1038/nchem.2914. 
  7. ^ Beatriz Barja, Ricardo Baggio, Maria T Garland, Pedro F Aramendia, Octavio Peña, Mireille Perec. Crystal structures and luminescent properties of terbium(III) carboxylates. Inorganica Chimica Acta. 2003-03, 346: 187–196 [2021-10-20]. doi:10.1016/S0020-1693(02)01429-9. （原始内容存档于2022-03-08） （英语）. 
  8. ^ Parmeggiani, Fabio; Sacchetti, Alessandro. Preparation and Luminescence Thermochromism of Tetranuclear Copper(I)–Pyridine–Iodide Clusters. Journal of Chemical Education (American Chemical Society (ACS)). 2012-05-14, 89 (7): 946–949. ISSN 0021-9584. doi:10.1021/ed200736b. 

参见