1.3 Свойства люминесценции

Процессы, связанные с образованием центров свечения и механизмы люминесценции очень разнообразны. Люминесцентные свойства твердых тел во многом определяются концентрацией примесей и дефектов структуры. Примесные атомы, образующие локальные уровни в запрещенной зоне кристаллов, отвечающие за свечение материала, называются активаторами люминесценции. Часто спектр вводимого активатора определяет спектр свечения люминофора. Во многих случаях точечные дефекты могут быть многозарядными, кроме этого при высоких концентрациях точечные дефекты могут образовывать ассоциаты или комплексы, которые тоже могут являться центрами свечения. Механизмы излучения также многообразны.

Мономолекулярная и метастабильная люминесценция проявляются в кристаллах рубина Al₂O₃, легированных хромом (часть атомов алюминия замещена атомами хрома). Переходы электронов внутри уровней, принадлежащих Cr³⁺, обусловливают две линии излучения, которые беспрепятственно выводятся из широкозонного кристалла Al₂O₃. Это явление используется в лазерах..

В полупроводниках более важную роль играет рекомбинационное излучение, которое происходит как непосредственно между электронами зоны проводимости и дырками валентной зоны, так и с участием примесных центров. Краевой люминесценцией в полупроводниках называют межзонное излучение с энергией квантов, равной ширине запрещенной зоны. Если в спектре люминесценции наблюдаются полосы с энергией менее ширины запрещенной зоны, то их происхождение связано с рекомбинацией через локальные центры, так как примесные атомы образуют локальные уровни. Такая люминесценция является примесной. Излучение может быть за счет внутрицентровой люминесценции, за счет излучательной рекомбинации носителей заряда в донорно-акцепторных парах, может осуществляться рекомбинационная люминесценция с участием одной из зон, может происходить излучательный распад свободных экситонов (в соединения А²В⁶), и экситонов, связанных с мелкими донорами, люминесценция экситонов, локализованная на электронных ловушках и т. д. Экситонная люминесценция наблюдается также в чистых кристаллах с малым количеством примеси и соответствует рекомбинации экситонов.

На характер спектра излучения вещества помимо типа и концентрации дефектов в нем влияют такие внешние факторы, как температура, уровень возбуждения образца, наличие деформаций, электрических и магнитных полей и т. д.

Количественно люминесценция, как и любое электромагнитное излучение, характеризуется интенсивностью — числом квантов (энергией), излучаемой с единицы поверхности кристалла в единицу времени. Эффективность преобразования разных видов энергии в излучение при люминесценции характеризуют энергетическим выходом (КПД), который определяется как отношение излученной энергии к поглощенной за то же время:

h= Е_изл/Е_погл

Интенсивность люминесценции зависит от относительного вклада излучательной и безызлучательной рекомбинации, поэтому ни интенсивность люминесценции, ни площадь пика примесной люминесценции не являются величинами, пропорциональными концентрации примесных центров. Определение природы центров свечения в кристаллах является очень сложной задачей. Обычно параллельно с термовысвечиванием используется электронный парамагнитный резонанс.