閃爍體熒光粉是一種能夠吸收特定波長(zhǎng)的光(通常是紫外線或可見(jiàn)光),然后將吸收的能量以光的形式再發(fā)射出去的材料。這種再發(fā)射光的波長(zhǎng)通常不同于吸收光的波長(zhǎng),而且發(fā)射過(guò)程具有一定的時(shí)間延遲。從物理化學(xué)角度看,它是一種固態(tài)粉末狀物質(zhì),主要成分包括基質(zhì)材料和激活劑等。
熒光粉
成分構(gòu)成
- 基質(zhì):是構(gòu)成熒光粉的主要材料,為熒光粉提供基本的晶體結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)。常見(jiàn)的基質(zhì)材料有鋁酸鹽、硅酸鹽、鎢酸鹽、磷酸鹽等。不同的基質(zhì)材料具有不同的晶體結(jié)構(gòu)和能帶特性,會(huì)影響熒光粉的發(fā)光性能。
- 激活劑:是將稀土離子或過(guò)渡金屬離子(如 Eu2+、Mn2+、Ce3+等)雜質(zhì)滲入晶體,有效形成發(fā)光中心的物質(zhì)。它們通過(guò)取代基質(zhì)中的金屬離子,造成晶格擾動(dòng)而形成發(fā)光中心,決定了熒光粉的發(fā)光顏色和效率。例如,銪(Eu)離子常作為紅色熒光粉的激活離子,鋱(Tb)離子是綠色熒光粉的重要激活離子。
- 敏化劑:可以吸收能量并將其傳遞給激活劑,增強(qiáng)熒光粉的發(fā)光強(qiáng)度和效率。敏化劑的存在可以拓寬熒光粉的激發(fā)光譜范圍,使熒光粉能夠更有效地吸收外界能量并轉(zhuǎn)化為熒光發(fā)射。
- 助熔劑:能夠降低基質(zhì)的重結(jié)晶溫度,使激活劑更容易進(jìn)入基質(zhì)點(diǎn)陣之中,與激活劑共同影響發(fā)光中心。助熔劑可以改善熒光粉的晶體結(jié)構(gòu)和發(fā)光性能,提高熒光粉的穩(wěn)定性和一致性。
- 共激活劑:與激活劑協(xié)同作用,進(jìn)一步改善熒光粉的發(fā)光性能。共激活劑的加
入可以調(diào)節(jié)激活劑的周?chē)h(huán)境,增強(qiáng)激活劑的發(fā)光效果。
- 疏松劑:有助于改善熒光粉的分散性和透氣性,使熒光粉在應(yīng)用過(guò)程中能夠更好地發(fā)揮作用。
發(fā)光原理
熒光粉的發(fā)光過(guò)程是一個(gè)光致發(fā)光的過(guò)程
首先,熒光粉被外界光激勵(lì),激活劑離子的最外層電子吸收能量,并從基態(tài)躍遷至更高的激發(fā)態(tài);之后,由于高激發(fā)態(tài)下電子的振動(dòng)態(tài)較高,電子會(huì)以聲子的形式將能量傳遞給周?chē)Ц瘢⒖焖俪谠サ郊ぐl(fā)態(tài)的振動(dòng)能級(jí)點(diǎn);接著,電子由激發(fā)態(tài)回到基態(tài),并在此過(guò)程中將激發(fā)時(shí)吸收的部分能量以光輻射的形式釋放;最后,電子在基態(tài)下從振動(dòng)態(tài)弛豫到振動(dòng)態(tài),完成光致發(fā)光的全過(guò)程。
熒光粉的分類(lèi)
- 按基質(zhì)材料分類(lèi):可分為鋁酸鹽熒光粉、硫及硫的氧化物熒光粉、硅酸鹽熒光粉、鎢/鋁酸鹽熒光粉和磷酸鹽熒光粉等。不同基質(zhì)材料的熒光粉具有不同的發(fā)光特性和應(yīng)用場(chǎng)景,例如鋁酸鹽熒光粉具有較高的發(fā)光效率和穩(wěn)定性,常用于節(jié)能燈和顯示屏;硅酸鹽熒光粉化學(xué)穩(wěn)定性好,易被近紫外光高效激發(fā),可用于近紫外 LED 燈。
- 按激發(fā)光源分類(lèi):
- 紫外燈用熒光粉:在波長(zhǎng)較短的紫外線激發(fā)下,發(fā)出波長(zhǎng)較長(zhǎng)紫外線的發(fā)光材料,可分為治療燈用熒光粉和誘蟲(chóng)紫外燈用熒光粉等。
- 藍(lán)光LED燈用熒光粉:能夠被藍(lán)光LED芯片激發(fā),并發(fā)出可見(jiàn)光的光致發(fā)光熒光粉。常用的有YAG:Ce3+黃色熒光粉等。
- 近紫外LED燈用熒光粉:能被近紫外LED芯片激發(fā),并發(fā)出可見(jiàn)光的光致發(fā)光熒光粉,常用熒光粉種類(lèi)有硅酸鹽、鹵磷酸鹽、硅基氮氧化物等。
- 陰極射線熒光粉:在陰極電子束的撞擊下能夠發(fā)光,常用于示波器、雷達(dá)顯示器等。
應(yīng)用領(lǐng)域
- 照明領(lǐng)域:在節(jié)能燈、高壓汞燈、LED燈等照明設(shè)備中廣泛應(yīng)用。例如,節(jié)能燈中的熒光粉能夠吸收燈管內(nèi)汞發(fā)出的紫外線,并將其轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光,提高照明效率。
- 顯示領(lǐng)域:是彩色電視機(jī)、顯示器、投影儀等設(shè)備的關(guān)鍵材料。通過(guò)控制不同熒光粉的混合比例和激發(fā)條件,可以在陰極射線或紫外線的激發(fā)下形成不同顏色的光,實(shí)現(xiàn)彩色顯示。
- 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域:可用于生物標(biāo)記、熒光成像等。例如,將熒光粉與生物分子結(jié)合,用于標(biāo)記細(xì)胞、蛋白質(zhì)等生物樣本,以便在顯微鏡下觀察和研究。
- 防偽領(lǐng)域:熒光粉的特殊發(fā)光特性可用于制作防偽標(biāo)識(shí),如在證件、商標(biāo)等上添加熒光粉,通過(guò)特定的光源照射可以驗(yàn)證真?zhèn)巍?/span>
- 藝術(shù)裝飾領(lǐng)域:用于制作熒光顏料、熒光涂料、熒光塑料等,可應(yīng)用于藝術(shù)繪畫(huà)、裝飾品、廣告等方面,增加視覺(jué)效果。
產(chǎn)品說(shuō)明
溫度會(huì)影響熒光粉的發(fā)射特性。這些特性包括發(fā)射強(qiáng)度、峰值波長(zhǎng)(發(fā)射和激發(fā))、光譜形狀、衰減和上升時(shí)間。通過(guò)測(cè)量一種或多種特性,就可以確定熒光粉的溫度;以這種方式使用的熒光粉被稱為熱測(cè)溫?zé)晒夥?,通過(guò)將它們合并到一個(gè)系統(tǒng)中,可以確定系統(tǒng)的溫度。
峰值波長(zhǎng)的變化通常不足以用于測(cè)量溫度。有一個(gè)例外是Y2O3:Eu的激發(fā)峰,其位移最多可達(dá)0.6 nm/K。
一種常見(jiàn)的技術(shù)是測(cè)量?jī)蓚€(gè)發(fā)射峰的比率。該材料通常包含具有多個(gè)發(fā)射峰的單一鑭系元素激活劑,或兩種不同的激活劑,每種激活劑都有自己的發(fā)射峰。升高溫度會(huì)改變?cè)摫嚷省8吣芰考ぐl(fā)態(tài)峰的發(fā)射強(qiáng)度相對(duì)于低能量激發(fā)態(tài)峰的發(fā)射強(qiáng)度大。
測(cè)量上升時(shí)間可以作為衰減時(shí)間的替代方法,溫度會(huì)影響電子在激發(fā)態(tài)能級(jí)積累的速度,升高溫度會(huì)縮短所需的時(shí)間。通過(guò)測(cè)量發(fā)射強(qiáng)度達(dá)到值所需的時(shí)間,可以確定溫度大小。
閃爍體熒光粉用于檢測(cè) α、β 和 γ 輻射。下面列出的材料衰減時(shí)間快,且自身的發(fā)射透明。
貨號(hào) | 化學(xué)成分 | 中值粒徑(微米) | 發(fā)射峰值(nm) | 衰減時(shí)間 (ns) | 密度(gcm-3) |
ZBK58/N-S1 | Lu2SiO5:Ce | 8.0 | 400 | 40 | 7.4 |
QM58/N-S1 | YAlO3:Ce | 8.0 | 365 | 30 | 5.6 |
QMK58/N-C1 | Y3Al5O12:Ce | 8.0 | 550 | 65 | 5.0 |
JPK/N-S1 | CdWO4 | 8.0 | 475 | 5000 | 8.0 |
GK31/S-S1 | ZnO:Ga | 5.0 | 385 | 2 | 5.5 |
DT11/VL-S1 | CsI:Na | TO ORDER | 425 | 630 | 4.5 |
DT81/VL-S1 | CsI:Tl | TO ORDER | 540 | 1000 | 4.5 |