Электролюминесценция

Хемилюминесценция и электролюминесценция: два метода свечения

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 1 января 2022 года; проверки требуют 2 правки.

Хемилюминесценция

Хемилюминесценция — это свечение тел, вызванное химическим воздействием или протеканием химической реакции. Она может происходить при медленном окислении, а также в живых организмах, что называется биолюминесценцией.

Химический источник света

Применяется для оценки состава газовых смесей, благодаря легкости автоматизации измерения и высокой селективности. Однако ограниченный перечень анализируемых веществ может быть недостатком этого метода.

Электролюминесценция

Электролюминесценция возбуждается электрическим полем в полупроводниках и кристаллофосфорах, приводя к излучательной рекомбинации электронов и дырок в материале.

Примеры электролюминесцентных материалов

  1. Органические пленки
  2. Неорганические материалы
  3. Кристаллофосфоры с активаторами

Применение

Электролюминесцентные осветители широко применяются в электронике и светотехнике, включая подсветку LCD-дисплеев, шкал приборов, декоративное оформление и военные цели. Также существуют графические и знакосинтезирующие дисплеи с высоким качеством изображения и устойчивостью к температурным изменениям.


Эти два метода свечения, хемилюминесценция и электролюминесценция, предоставляют различные возможности для исследований и практического использования в различных областях. Они отличаются своими принципами действия и областями применения, делая их ценными инструментами в научных и технических исследованиях.

Люминесценция: что это такое и какие типы существуют

Люминесценция – это свечение вещества, возникающее в результате преобразования поглощенной энергии в оптическое излучение. Это явление не связано с нагревом вещества, а происходит за счет возбуждения атомов, молекул или кристаллов.

Типы люминесценции

Флуоресценция и фосфоресценция

Быстро затухающая люминесценция называется флуоресценцией, а длительная – фосфоресценцией.

Механизмы возбуждения

Различают несколько механизмов возбуждения люминесценции:

  • Фотолюминесценция – возбуждение светом видимого и ультрафиолетового диапазона.
  • Хемилюминесценция – возбуждение химической реакцией.
  • Катодолюминесценция – возбуждение катодными лучами.
  • Сонолюминесценция – возбуждение ультразвуковой волной в жидкости.
  • Радиолюминесценция – возбуждение ионизирующим излучением.
  • Триболюминесценция – возбуждение растиранием, раздавливанием или раскалыванием.
  • Биолюминесценция – свечение живых организмов.

Применение в источниках света

Люминесцентные источники света используются в газоразрядных лампах, светодиодах и других устройствах. Белые светодиоды, например, создаются с использованием различных люминофоров.

Другие применения

В фотонике люминесценция широко применяется для создания преобразователей и источников света. Также спектры люминесценции помогают исследователям в анализе состава и структуры веществ.


Автор: Андрей Повный

Ссылки на соцсети: FB, ВК

Люминесценция и оптические антенны

Присоединяйтесь к нашему каналу в Telegram Современное освещение и погружайтесь в мир инновационных технологий и стильного дизайна света! Подписывайтесь, чтобы быть в курсе последних трендов: Современное освещение в

Создать вещество, которое будет хорошо светиться — или, по-научному, люминесцировать,— уже сама по себе непростая задача. Хотя к настоящему времени таких веществ известно много. Но понять, отчего оно светится именно так, а не иначе, и как сделать так, чтобы оно светилось лучше,— это большой комплекс научных задач.

Над их решением работают сотрудники лаборатории Молекулярная спектроскопия люминесцентных материалов Физического института имени П. Н. Лебедева. Как управлять люминесценцией, рассказал Ъ-Науке ведущий научный сотрудник ФИАНа, доктор химических наук Илья Тайдаков.

Оптические антенны

В 1940-х годах было показано, что если добавить к чистому иону лантаноида определенные органические молекулы, то эти молекулы образуют с ним связь и получится так называемое координационное соединение. За счет чего это происходит? Координационные соединения состоят из центрального атома и связанных с ним молекул или ионов — лигандов. Центральный атом — как правило, положительно заряженный ион; лиганды в координационных соединениях имеют отрицательный заряд.

Центральный ион принимает электронные пары лиганда — и между ними образуется координационная, или донорно-акцепторная связь. Органические молекулы, в отличие от ионов лантаноидов, поглощают свет хорошо: можно добиться, чтобы органическая часть соединения поглощала свет и передавала энергию на центральный ион. Получается своеобразный световой комбайн, который люминесцирует гораздо эффективнее, чем свободный ион лантаноида.

Холодное свечение и люминесценция

Холодное свечение, также известное как люминесценция, представляет собой свечение, которое происходит без нагревания тела и возникает за счет преобразования энергии внутри молекулы. Этот вид свечения может быть вызван различными факторами, такими как свет, тепло, рентгеновские лучи, электронный пучок и другие.

Лаборатория молекулярной спектроскопии люминесцентных материалов

В лаборатории Молекулярная спектроскопия люминесцентных материалов ученые занимаются изучением фотолюминесценции, то есть превращения энергии, возбужденной веществом электромагнитным излучением в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах длин волн.

Ионы лантаноидов

Основой многих изучаемых в лаборатории соединений являются ионы лантаноидов, которые известны своими уникальными люминесцентными свойствами. В Периодической системе химических элементов существуют 14 лантаноидов с атомными номерами с 57 по 71, включая лантан и лютеций. У этих элементов схожие химические свойства, но их спектры испускания, а также цвет свечения, индивидуальны для каждого иона.

Координационные соединения и комплексы

Для создания разнообразных люминесцентных материалов ионы лантаноидов соединяют со специальными органическими соединениями, образуя координационные соединения или комплексы. Благодаря переходам электронов внутри этих соединений возникает люминесценция.

Увеличение эффективности люминесценции

Ученые столкнулись с проблемой низкой способности ионов лантаноидов поглощать световую энергию, что приводит к низкой интенсивности свечения. Для увеличения эффективности люминесценции ионам лантаноидов необходима оптическая антенна. Органическая обвязка иона служит этой антенной, а процесс передачи энергии называется антенным эффектом.

Подобранные условия структуры органической части молекулы позволяют эффективно связывать ион лантаноида, обеспечивая высокую эффективность передачи энергии и минимальные потери.

Люминесцентные свойства самих лантаноидов варьируются, и хотя вещества на их основе можно модифицировать связями с органикой и ионами металлов, немаловажно и то, ион какого из лантаноидов взять за основу координационного соединения. Ученые лаборатории используют главным образом европий и тербий. Из всех ионов лантаноидов у них наиболее яркая видимая люминесценция. У европия — красная, у тербия — зеленая. Изучаются соединения и других лантаноидов, например, иттербия или неодима, обладающие невидимой человеческим глазом люминесценцией в ближней инфракрасной области спектра.

Помимо того что ион европия дает наибольшую яркость, он также уникален тем, что, исследуя его спектр, можно получить много информации о передаче энергии во всем соединении.

Фторные «подвески»

В контексте люминесцентных координационных соединений введение атомов фтора в такие молекулы интересно по двум причинам.

Во-первых, фтор по своим свойствам несколько похож на водород. За счет этого связь углерода с водородом (C-H), лежащую в основе большинства органических соединений, зачастую можно (по крайней мере, теоретически) заместить связью со фтором (C-F). Фторорганические соединения — целый мир, и он неплохо исследован. Есть много любопытных материалов на их основе. Например, тефлон — это полностью фторированный полиэтилен: если весь водород в полиэтилене заменить на атомы фтора, то и получится тефлон. Был мягкий термопластичный полимер, не очень стойкий химически, а получился абсолютно другой материал, который обладает выдающейся химической и термической стойкостью.

Для других соединений такой эффект может быть не столь ярко выражен, частичная замена атомов водорода на фтор слабо меняет физические (и даже частично химические) свойства лигандов, но может сильно изменять их фотофизические характеристики. Это важно, так как позволяет создавать ряды комплексных соединений с одинаковой (или максимально схожей) химической структурой, при этом плавно подстраивая их оптические характеристики.

Для тех классов люминесцирующих соединений, которыми занимаются в лаборатории (в большинстве комплексы лантаноидов с так называемыми бета-дикетонатными лигандами, то есть органическими молекулами, содержащими две карбонильные группы — две связи углерода с кислородом C=O, — и разделенные связью CH2), введение атомов фтора, как правило, ведет к изменению их люминесцентных свойств.

Простое объяснение таково: когда C-H меняется на C-F, то собственные частоты колебания этих связей падают: атомы фтора — тяжелые и не позволяют молекуле колебаться, как прежде. Это приводит к тому, что энергия рассеивается менее эффективно. Если «накачать» энергией молекулу, у последней есть несколько способов ее «сбросить»: выдать обратно квант света или же трансформировать ее в колебание своих связей — получится тепло, то есть вещество попросту немного разогреется. При замене связи C-H на C-F эффективность этого процесса рассеивания энергии в виде тепла (так называемой безызлучательной релаксации) уменьшается. Таким образом, этот канал сброса энергии в соединениях с C-F может подавляться.

Молекула в стоп-кадре

Известно, что введение фторированных заместителей улучшает свойства люминесцентных соединений, в частности, соединений на основе европия. Таким образом, на первом этапе оставалось подобрать структуру органических лигандов, синтезировать соединение и при помощи различных аналитических методов убедиться, что желаемое соединение получено. Затем начинается исследование собственно люминесцентных свойств.

При проведении исследования методом люминесцентной спектроскопии образцы возбуждают светом с заданной длиной волны и измеряют спектр ответного излучения; и наоборот: облучают материал последовательно светом разных длин волн в широком диапазоне и определяют люминесцентный ответ на определенной длине волны излучения. На этом этапе определяют и время, за которое молекула высвечивает поглощенный свет.

Совместно с коллегами из Института спектроскопии РАН в Троицке ученые провели также серию интересных экспериментов по детальному определению времен процессов, происходящих при поглощении и испускании света с использованием сверхкоротких импульсов лазерного излучения.

Передача энергии в органической части молекулы происходит чрезвычайно быстро — чтобы запечатлеть ее, нужны очень короткие световые импульсы. Время одной такой лазерной вспышки порядка 100 фемтосекуд, то есть 10 в минус 13 степени секунды. Это очень короткий интервал, можно грубо посчитать, что за время, которое длится один импульс, свет преодолеет расстояние примерно в 0,03 мм, а ведь скорость света — порядка 300 тыс. км/с!

В эксперименте раствор исследуемого вещества сначала облучался коротким лазерным импульсом — настолько коротким, что за это время в молекуле не успевает полностью произойти высвечивание.

Длина волны этого светового импульса (пучка накачки) подобрана так, чтобы совпадала с ранее определенным максимумом поглощения исследуемого вещества. Затем через точно измеренные и изменяемые промежутки времени порядка 10 в минус 13 степени секунды вещество зондируют еще одним импульсом, на этот раз в широком спектральном диапазоне, можно упрощенно сказать «белым светом».

После второго импульса можно по спектрам поглощения «наблюдать», как эволюционирует молекула, поглотившая первую порцию света. Эти два последовательных световых импульса срабатывают как рентген, они дают стоп-кадр процессов, протекающих в молекуле.

Из этих наблюдений ученые выводят схему последовательной передачи энергии: как молекула поглотила первую порцию света, куда ушло возбуждение в органической ее части; как затем энергия перераспределилась, как начала переходить на центральный ион. Таким образом, удается даже порой вычислить то, с какой скоростью протекают эти процессы. Затем те же процессы изучались на более длинных временных диапазонах, порядка микросекунд. За это время уже происходит передача энергии внутри иона самого лантаноида. Объединив все эти данные, ученые получают полную диаграмму того, как перераспределяется энергия внутри молекулы.

Ученым удалось установить, что во фторированной цепи энергия не успевает полностью рассеяться в тепло. И чем больше тяжелых атомов фтора в соединении, тем меньше энергии молекула «расходует» на колебание своих связей. Иными словами, чем короче цепь, тем больше потери на тепловые процессы. Канал преобразования энергии в тепло практически перекрывается. Простая аналогия: два маятника, короткий и длинный. Короткий маятник колеблется быстро, частота его колебаний высокая — он достаточно эффективно рассеивает энергию. Длинный же маятник колеблется медленно, и чтобы рассеять то же количество энергии, ему нужно больше колебаний и больше времени — отсюда потеря эффективности.

За счет фторирования люминофоров на основе европия удается значительно улучшить люминесценцию вещества. Не исключено, что дальнейшие модификации молекулы приведут к еще более эффективной люминесценции. Столь яркие люминофоры пригодятся в флуоресцентной микроскопии и биохимических приложениях. К примеру, излучающие свет соединения могут послужить люминесцентной меткой: несложные химические манипуляции позволят «пришивать» их к исследуемому образцу. Кроме того, узкий по спектру красный цвет европиевого свечения идеально попадает в красный цвет, необходимый для создания дисплеев на органических светодиодах (OLED).

Научный подход

Недавно созданная лаборатория «Молекулярная спектроскопия люминесцентных материалов» ФИАН занимается тремя направлениями.

Одно из них органические люминофоры, малые молекулы — органические красители, которые не содержат атомов металлов. Вместе с коллегами из Института органической химии РАН ученые изучают, как строение таких молекул связано с их фотофизическими свойствами, и ищут способы на эти свойства повлиять — чтобы, например, молекулы более эффективно преобразовывали электрический ток в свет или же, наоборот, свет в электрический ток.

В одном случае энергетические заряды молекулы разделяются под действием света — и тогда речь идет о фотовольтаике (например, о солнечной батарее). В другом случае (как в случае органических светодиодов) носители заряда, наоборот, рекомбинируют: вначале с одной стороны инжектируются электроны, с другой стороны инжектируются положительные вакансии (дырки в молекуле), затем они соединяются — возникает избыток энергии, который в конечном счете преобразуется в свет.

Второе направление — изучение переноса энергии в координационных соединениях редкоземельных химических элементов. Ученые пытаются понять, как сделать люминесцентные материалы на основе координационных соединений лантаноидов наиболее эффективными, добиться наиболее яркого свечения этих веществ. Люминесцентные свойства таких материалов зависят от структуры органической части молекулы — лиганда: варьируя ее структуру, можно модифицировать излучение молекулой света.

Третье направление — изучение сенсорики материалов на основе лантаноидов: как меняются люминесцентные свойства этих материалов в ответ на различные воздействия, например, температурные или химические. Ученые создают материалы, которые можно использовать как маркеры для дальнейших измерений. К примеру, в 2019 году ими был создан и запатентован люминесцентный сенсор на примесь обычной воды в тяжелой воде, оксиде дейтерия. Определение такой примеси важно, например, для ядерной энергетики, поскольку тяжелая вода используется в некоторых реакторах и примесь обычной «легкой» воды там нежелательна.

Сам по себе метод прост, но эффективен: позволяет с точностью до десятых процента определить, сколько в тяжелой воде содержится обычной воды H2O. В образец тяжелой воды добавляется некоторое количество люминофора, который ею смачивается, но не растворяется в ней. После взбалтывания раствор освещают ультрафиолетом и измеряется спектр люминесценции: по полученному графику удается определить содержание обычной воды на уровне менее десятых долей процента!

Кроме того, в лаборатории изготавливаются и исследуются сенсоры на ионы различных металлов, органических загрязнителей и для определения других практически важных соединений.

Что такое фотоэффект?

Фотодиоды, виды, принцип работы

Что такое фототранзисторы?

1. История открытия

2. Теория фотоэффекта

5. Принцип работы

История открытия

Фотоэффект – одно из наиболее значимых открытий в области физики, которое произошло в конце XIX века. Фотоэффект был открыт в 1887 году А.Г. Столетовым, который исследовал свойства катода и анода в вакуумной трубке.

В своей работе ученый обнаружил, что при подаче на катод и анод электрического напряжения, катод испускает электроны, которые затем попадают на анод.

Электролюминесценция

Однако, при увеличении напряжения, электроны начали проходить через пространство между катодом и анодом. Это явление было названо фотоэффектом.

Открытие имело огромное значение для развития науки и техники. Оно привело к созданию первых фотоэлементов и фотодиодов, которые использовались в различных областях, таких как фотография, радиосвязь, электроника и многие другие.

Альберт Эйнштейн выдвинул гипотезу, что свет не только излучается и поглощается, но и может быть преломлен, отражен и даже поглощен отдельными атомами. Он предположил, что фотоэффект является результатом поглощения атомом одного фотона света, что приводит к выбросу электрона из атома.

Электролюминесценция

На основе своей теории фотоэффекта, Эйнштейн смог объяснить некоторые экспериментальные наблюдения, в том числе прямую зависимость между интенсивностью света и количеством испускаемых электронов, а также наличие “красной границы” (минимальной частоты света), при которой фотоэффект уже не может происходить.

В 1905 году Эйнштейн опубликовал свою знаменитую работу “К электродинамике движущихся тел”, в которой он сформулировал свою теорию фотоэффекта и объяснил его основные закономерности. Эта работа стала основой для развития квантовой механики и квантовой теории света.

Кроме того, он стал основой для создания новых технологий, таких как лазеры и светодиоды. Сегодня продолжает играть важную роль в науке и технологии, и его изучение продолжается до сих пор.

Теория фотоэффекта

Фотоэффект – это процесс, при котором свет с определенной длиной волны выбивает электроны из атомов или молекул вещества. Теория фотоэффекта описывает этот процесс и объясняет, как он происходит и какие факторы на него влияют.

Согласно теории, свет, падающий на поверхность вещества, может вызывать несколько процессов:

Поглощение света веществом с образованием свободных электронов и положительных ионов. Этот процесс происходит, когда свет имеет достаточно высокую энергию, чтобы разорвать связи между атомами или молекулами вещества.

Поглощение фотонов светом, в результате которого электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс наблюдается, когда энергия фотона соответствует разности энергий между двумя зонами.

Электролюминесценция

Испускание электронов из вещества, когда фотон вызывает ионизацию атома или молекулы, в результате чего один из электронов переходит на более высокий энергетический уровень, а другой остается в состоянии с низкой энергией и испускается из вещества.

Факторы влияния на фотоэффект:

Виды фотоэффекта

Существует несколько видов фотоэффекта, в зависимости от типа используемого излучения и материала, в котором происходит процесс. Некоторые из наиболее распространенных видов представлены ниже.

Внешний фотоэффект

Это процесс, при котором электроны выбиваются из поверхности материала под действием внешнего электромагнитного излучения (например, света). Обычно используется в фотоэлементах и солнечных батареях.

Внутренний фотоэффект

При этом процессе электроны возбуждаются внутри материала и покидают его поверхность. Обычно используется для создания лазеров и других устройств, которые требуют генерации света.

Термофотоэффект

Такое происходит при нагревании материала до определенной температуры. При этом электроны начинают двигаться быстрее и могут покидать материал, вызывая фотоэффект. Термофотоэффекты используются в термоэлектрических материалах, таких как термопары и термометры.

Фотолюминесценция

Процесс излучения света материалом после поглощения электромагнитного излучения. Обычно фотолюминесценцией обладают материалы, содержащие люминофоры, которые способны поглощать свет и излучать его с другой длиной волны. Фотолюминесцентные материалы используются в освещении, часах и других устройствах.

Фотоактивация

Это процесс активации молекул или клеток в материале под действием света. Свет может использоваться для управления биологическими процессами, такими как деление клеток и экспрессия генов.

Это только некоторые из видов фотоэффектов, и существует множество других. Каждый из них имеет свои особенности и применения в различных областях науки и техники.

Электролюминесценция

Свойства фотоэффекта

Вот некоторые основные свойства фотоэффекта:

Принцип работы фотоэффекта

Фотоэффект – это явление, при котором энергия света (фотонов) передается электронам в материале, вызывая их высвобождение из материала и движение в сторону поверхности. Этот процесс происходит под действием электромагнитного поля фотона, которое взаимодействует с электронами в материале.

Принцип работы фотоэффекта можно описать следующим образом:

1. Свет попадает на поверхность материала, и фотоны взаимодействуют с электронами материала.

2. Энергия фотонов передается электронам, увеличивая их энергию до уровня, при котором они могут покинуть материал.

3. Электроны начинают двигаться через материал и достигают поверхности, где они могут быть высвобождены из материала.

4. Высвобожденные электроны движутся в сторону поверхности и теряют часть своей энергии на пути, превращаясь в поток электронов, который может быть использован для создания электрического тока.

5. Электрический ток создается за счет движения электронов и может быть использован в различных устройствах, таких как фотоэлементы, светодиоды, солнечные панели и другие электронные устройства.

Таким образом, фотоэффект является основой работы многих электронных устройств и устройств, использующих солнечную энергию.

Применение фотоэффекта

Фотоэффект имеет широкое применение в различных областях науки и техники, включая:

Электролюминесценция

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *