光致发光（PL）原理及应用！

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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。它大致经过吸收、能量传递及光发射三个主要阶段，光的吸收及发射都发生于能级之间的跃迁，都经过激发态。而能量传递则是由于激发态的运动。紫外辐射、可见光及红外辐射均可引起光致发光。光致发光可按延迟时间分为荧光（Fluorescence）和磷光（Phosphorescence）。
光致发光可以提供有关材料的结构、成分及环境原子排列的信息，是一种非破坏性的、灵敏度高的分析方法。激光的应用更使这类分析方法深入到微区、选择激发及瞬态过程的领域，使它又进一步成为重要的研究手段，应用到物理学、材料科学、化学及分子生物学等领域，逐步出现新的边缘学科。
PL基本原理
在典型的直接带隙光致发光实验中，当入射激光光子的能量高于材料本身的带隙能量时，半导体会处于一种激发态，这时入射的光子会被吸收，同时在导带顶和价带底中分别形成电子和空穴。此时这些激发的电子和空穴不能稳定存在，在相应能级上停留极短的时间后，电子会向着价带的最小值（即本征态）进行能量和动量的弛豫，最终和空穴复合，再次释放出光子。对于典型的间接带隙半导体材料，激发后的电子和空穴不在相同的动量空间内，在弛豫的过程中，电子向基态进行跃迁时，由于动量空间的不匹配，电子会与晶格中的声子产生相互作用来进一步进行跃迁，最后在不停的跃迁过程中回到基态与空穴进行复合发光，在这种跃迁过程中会消耗掉光子大量的能量，并转换成其他类型的能量，主要以热能为主，这就是典型的直接带隙半导体和间接带隙半导体光致发光过程。



图1. 直接带隙和间接带隙材料的光致发光过程

PL特点
1、PL优点：

• Ø 设备简单，无破坏性，对样品尺寸无严格要求；
  
• Ø 分辨率高，可做薄层和微区分析。
  

2、PL缺点：

• Ø 通常只能做定性分析，而不作定量分析；
  
• Ø 如果做低温测试，需要液氦降温，条件比较苛刻；
  
• Ø 不能反映出非辐射复合的深能级缺陷中心。
  

PL应用
1、日光灯：
日常生活中，最常见的光致发光应用当属日光灯了。通过将日光灯管两端加上高电压，大量电子以极大的速度由低电势端向高电势端运动。在加速运动的过程中，电子碰撞管内的氩气分子，使氩气分子发生电离。电离后的氩气分子产生热量，并使的灯光内的水银产生蒸气，进而水银蒸气也被电离，并发出强烈的紫外线。之后，紫外线能够将灯光内壁的荧光粉进行激发，从而产生荧光，发出白光。日光灯的效率约为白炽灯的5倍，而且其内部产生的紫外线不会对人体有害，属于一种安全无污染的高效光源。
2、组分测定：
对三元系或四元系合金，如InxGa1-xN等，通过PL峰位确定半导体材料的禁带宽度，进而确定材料组分；
3、杂质识别：
通过测量材料的光致发光光谱，标定特征谱线的位置，可以识别材料中的杂质元素，以及对杂质浓度进行测定等；
4、生物荧光标记：
光致发光(尤其是荧光成像)经常被用于生物科学，如通过荧光标记法来演示染色体分裂过程等生物现象，又如神经纤维的末梢可以吸收很多荧光化合物或荧光染料, 经轴突逆向运输到细胞体内, 从而建立逆行荧光标记法。



图2. 细胞中蛋白质的荧光标记

5、位错等缺陷研究：
光致发光可以提供有关材料的结构、成分及环境原子排列的信息，是一种非破坏性的、灵敏度高的分析方法。光致发光光谱可以用来研究晶体缺陷，例如原子空位和取代，这对于像金刚石和碳化硅(SiC)这样的材料尤其重要。
6、变温PL可以测试材料/器件的发光效率；
7、半导体材料的少数载流子寿命等。
文献：
[1]彭青. 二维单层二硫化钨环境作用的光致发光光谱表征[D].中国科学技术大学,2021.DOI:10.27517/d.cnki.gzkju.2021.002202.

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