一文了解光致发光（PL）

笑看风云

原理不同发光材料的发光原理不尽相同，但是其基本物理机制是一致的:物质原子外的电子一般具有多个能级，电子处于能量最低能级时称为基态，处于能量较高的能级时称为激发态。当有入射电磁波的能量恰好等于两个能级的能量差时，低能级的电子就会吸收这个光子的能量，并跃迁到高能级，处于激发态;电子在激发态不稳定，会向低能级跃迁，并同时发射光子。电子跃迁到不同的低能级，就会发出不同的光子，但是发出的光子能量肯定不会比吸收的能量大。晶体中的能带有价带、导带、禁带。但是，在实际晶体中，可能存在杂质原子或晶格缺陷，局部地破坏了晶体内部的规则排列从而产生一些特殊的能级，称为缺陷能级。1.价带与导带之间: 2.价带与缺陷能级之间; 3.缺陷能级与导带之间: 4.两个不同能量的缺陷能级之间。但根据不同的激发方式的不同和跃迁的不同，又可以细分为光致发光，电致发光，阴极射线发光等。
发光复合机构类型


在这个过程中，有六种不同的复合机构会发射光子，它们是:1.自由载流子复合- 导带底电子与价带顶空穴的复合;2.自由激子复合- 晶体中原子的中性激发态被称为激子，激子复合也就是原子从中性激发态向基态的跃迁，而自由激子指的是可以在晶体中自由运动的激子，这种运动显然不传输电荷;3.束缚激子复合-- 指被施主、受主或其他陷阱中心(带电的或不带电的)束缚住的激子的辐射复合其发光强度随着杂质或缺陷中心的增加而增加:4.浅能级与本征带间的载流子复合--即导带电子通过浅施主能级与价带空穴的复合，或价带空穴通过浅受主能级与导带电子的复合;5.施主-受主对复合--专指被施主-受主杂质对束缚着的电子-空穴对的复合，因而亦称为施主-受主对(D-A对)复合;6.电子-空穴对通过深能级的复合--即SHR复合，指导带底电子和价带顶空穴通过深能级的复合，这种过程中的辐射复合几率很小。在上述辐射复合机构中，前两种属于本征机构，后面几种则属于非本征机构。由此可见，半导体的光致发光过程蕴含着材料结构与组份的丰富信息，是多种复杂物理过程的综合反映，因而利用光致发光光谱可以获得被研究材料的多种本质信息。
发光和猝灭
并不是激发能量全部都要经过传输，能量传输也不会无限的延续下去。激发的离子处于高能态，它们就不是稳定的，随时有可能回到基态。在回到基态的过程中，如果发射出光子，这就是发光。这个过程就叫做发光跃迁或辐射跃迁。如果离子在回到基态时不发射光子，而将激发能散发为热(晶格振动)，这就称为无辐射跃迁或猝灭。激发的离子是发射光子，还是发生无辐射跃迁，或者是将激发能量传递给别的离子，这几种过程都有一定的几率决定于离子周围的情况(如近邻离子的种类、位置等)。1.发光中心对于由激发而产生的电子和空穴，它们也不是稳定的最终将会复合。不过在复合以前有可能经历复杂的过程。一般而言，电子和空穴总是通过某种特定的中心而实现复合的。如果复合后发射出光子，这种中心就是发光中心(它们可以是组成基质的离子、离子团或有意掺入的激活剂)。2.猝灭中心有些复合中心将电子和空穴复合的能量转变为热而不发射光子，这样的中心就叫做猝灭中心。发光和猝灭在发光材料中互相独立互相竞争的两种过程。猝灭占优势时，发光就弱，效率也低。反之，发光就强，效率也高。
光致发光的特点
1.优点（1）光致发光分析方法的实验设备比较简单测量本身是非破坏性的，而且对样品的尺寸、形状以及样品两个表面间的平行度都没有特殊要求。（2）它在探测的量子能量和样品空间大小上都具有很高的分辨率，因此适合于作薄层分析和微区分析。2.缺点（1）它的原始数据与主要感兴趣的物理现象之间离得比较远，以至于经常需要进行大量的分析，才能通过从样品外部观测到的发光来推出内部的符合速率。（2）光致发光测量的结果经常用于相对的比较因此只能用于定性的研究方面。（3）测量中经常需要液氦低温条件也是一种苛刻的要求。（4）对于深陷阱一类不发光的中心，发光方法显然是无能为力的。
光致发光方法分析应用
1.组分测定例如，GaAs1-xPx是由直接带隙的GaAs和间接带隙的GaP组成的混晶，它的带隙随x值而变化。发光的峰值波长取决于禁带宽度，禁带宽度和x值有关因此，从发光峰峰值波长可以测定组分百分比x值。2.杂质识别根据特征发光谱线的位置，可以识别GaAs和GaP中的微量杂质。3.硅中浅杂质的浓度测定4. 辐射效率的比较半导体发光和激光器件要求材料具有良好的发光性能，发光测量正是直接反映了材料的发光特性。通过光致发光光谱的测定不仅可以求得各个发光带的强度，而且也可以到积分的辐射强度。在相同的测量条件下，不同的样品间可以求得相对的辐射效率。5.GaAs材料补偿度的测定补偿度NA/ND(ND，NA分别为施主、受主杂质浓度)是表征材料纯度的重要特征参数。6.少数载流子寿命的测定7.均匀性的研究测量方法是用一个激光微探针扫描样品，根据样品的某一个特征发光带的强度变化，直接显示样品的不均匀图像。8.位错等缺陷的研究。

原文地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/643940216