发光物理学

本书系统介绍了发光的概念, 以及发光材料的发光机理、规律、性能及应用, 是一本内容全面、材料新颖、理论性较强、技术先进且兼顾实用性的图书。本书共12章, 内容包括: 绪论、固体发光基础知识、光谱分析、上转换发光、半导体理论、稀土材料发光、色度学、分立发光中心发光、能量传递与输运、光致发光、电致发光、激光器发光原理。本书提供配套的电子课件PPT等教学资源。

杨盛谊，男，1971年10月生于湖南省通道县。北京理工大学物理学院教授、博士生导师。一直从事纳米光子学材料与器件的研究。已在国内外著名期刊上发表了140多篇SCI学术论文，并有20多项国家发明专利得到授权。2006年，入选教育部"新世纪优秀人才”支持计划和北京市"科技新星”计划。2010年，入选北京理工大学"杰出中青年教师”支持计划。中国感光学会影像信息功能材料与技术专业委员会委员，中国物理学会会员。国内外多家SCI学术期刊的审稿人，国家自然科学基金评审专家、中国博士后科学基金评审专家。

目 录 第1章 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 课程目的与任务 2 1.3 发光物理学的内容 2 1.4 发光及发光现象 2 1.4.1 发光现象 5 1.4.2 发光的定义 5 1.4.3 发光的基本过程 7 1.5 发光的分类 8 1.5.1 光致发光 8 1.5.2 电致发光 8 1.5.3 阴极射线发光 9 1.5.4 放射线发光 9 1.5.5 X射线发光 10 1.5.6 化学发光 10 1.5.7 生物发光 11 1.5.8 摩擦发光 12 1.5.9 声致发光 12 1.6 发光材料的应用[5] 13 思考题1 13 参考文献 13 第2章 固体发光基础知识 14 2.1 背景知识 14 2.1.1 发光材料的定义 14 2.1.2 发光材料的形态 14 2.1.3 原子能级及跃迁 16 2.2 固体光吸收的本质 21 2.2.1 基础吸收 22 2.2.2 半导体的光吸收和光导电现象 24 2.3 固体发光及发光材料 26 2.3.1 激发源和发光材料分类 26 2.3.2 发光材料的特性 26 2.3.3 发光颜色的表征 27 2.4 荧光和磷光 28 2.4.1 光致发光材料的基本组成 28 2.4.2 光致发光原理 28 2.4.3 反斯托克斯磷光体 30 2.4.4 典型荧光和磷光材料 31 思考题2 33 参考文献 33 第3章 光谱分析 34 3.1 光谱分析的发展与研究内容 34 3.1.1 光谱分析的发展[1] 34 3.1.2 光谱分析的研究内容 35 3.1.3 光谱分析 37 3.2 分子发光分析 38 3.2.1 分子荧光分析法 38 3.2.2 磷光分析法 47 3.3 分光光度法 51 3.3.1 分光光度法的基本原理 51 3.3.2 分光光度法的应用 52 3.3.3 分光光度法的误差 52 3.4 朗伯?比尔定律的推导 52 3.4.1 朗伯定律 53 3.4.2 比尔定律 53 3.4.3 朗伯?比尔定律 53 3.4.4 朗伯?比尔定律的物理意义 54 3.4.5 朗伯?比尔定律成立的前提 54 3.4.6 吸光度的加和性 54 3.5 吸收系数和桑德尔灵敏度 54 3.5.1 吸收系数 54 3.5.2 桑德尔灵敏度 55 3.6 标准曲线的绘制及应用 56 3.6.1 标准曲线的绘制 56 3.6.2 标准曲线的应用 56 3.7 引起偏离朗伯?比尔定律的原因 56 3.7.1 物理因素 56 3.7.2 化学因素 57 3.8 吸光光度法和分光光度法的区别[2] 57 3.8.1 原理不同 57 3.8.2 特点不同 58 3.8.3 用途不同 58 思考题3 58 参考文献 58 第4章 上转换发光 59 4.1 上转换发光的概念 59 4.2 上转换技术的发展 60 4.3 稀土离子上转换发光机理 60 4.3.1 激发态吸收 61 4.3.2 能量传递上转换 61 4.3.3 光子雪崩 62 4.4 上转换机理 63 4.4.1 实际的上转换过程 63 4.4.2 不同机理的双光子上转换效率 65 4.5 上转换发光材料 65 4.5.1 掺杂Yb3+和Er3+的材料 65 4.5.2 掺杂Yb3+和Tm3+的材料 66 4.5.3 掺杂Er3+或Tm3+的材料 66 4.6 实例分析 67 4.6.1 样品制备与光谱测试 67 4.6.2 激发机理 67 4.6.3 实验结果讨论 68 4.7 上转换发光材料及其应用 69 思考题4 73 参考文献 73 第5章 半导体理论 75 5.1 固体的能带理论 75 5.1.1 能带的形成 75 5.1.2 绝缘体、半导体和导体 75 5.2 半导体材料硅的晶体结构 76 5.2.1 晶体结构 77 5.2.2 硅晶体内的共价键 77 5.2.3 晶面和晶向 78 5.2.4 原子密排面和解理面 78 5.3 半导体的特性 79 5.3.1 纯度 79 5.3.2 导电能力 79 5.3.3 导电过程描述 79 5.3.4 本征半导体与掺杂半导体 80 5.3.5 产生与复合 80 5.3.6 杂质与掺杂半导体 80 5.4 载流子的复合与寿命 82 5.4.1 多数载流子和少数载流子 82 5.4.2 平衡载流子和非平衡载流子 82 5.4.3 直接复合 82 5.4.4 间接复合 83 5.4.5 表面复合 83 5.5 载流子的传输 84 5.5.1 漂移与迁移率 84 5.5.2 扩散 84 5.5.3 扩散长度 84 5.6 PN结二极管 85 5.6.1 PN结 85 5.6.2 自建电场 85 5.6.3 PN结的形成 85 5.6.4 正、反向偏置的PN结 85 5.6.5 PN结电流的解析描述 86 5.7 硅材料的物理化学性质 86 5.7.1 物理性质及常数 86 5.7.2 化学性质 87 5.7.3 参数的测量 87 5.7.4 硅材料的性能参数测量 88 思考题5 89 参考文献 90 第6章 稀土材料发光 91 6.1 稀土材料的发光 91 6.1.1 稀土发光与其晶体内部结构 91 6.1.2 稀土发光过程 91 6.1.3 稀土材料的荧光和磷光 92 6.2 稀土的电子层结构和光谱学性质 92 6.2.1 稀土元素基态原子的电子层构型 93 6.2.2 稀土元素的价态 93 6.2.3 稀土离子的发光特点 93 6.2.4 稀土发光材料的分类 94 6.2.5 稀土发光的三基色原理 94 6.3 灯用稀土发光材料 94 6.3.1 气体放电和气体放电光源 95 6.3.2 稀土发光材料在气体放电光源 领域的应用 95 6.3.3 低压汞灯 95 6.3.4 高压汞灯 96 6.4 长余辉发光材料 96 6.5 稀土发光材料的应用 98 6.5.1 稀土发光材料的制备方法 99 6.5.2 稀土发光材料的主要应用 99 6.6 基于无机稀土纳米探针的无背景 荧光生物检测[3] 100 思考题6 101 参考文献 101 第7章 色度学 102 7.1 色度学基础 102 7.1.1 颜色的基本性质 102 7.1.2 颜色的交互作用和颜色恒常性 103 7.1.3 颜色的混合 104 7.2 颜色匹配和标定 106 7.2.1 颜色匹配和颜色方程 106 7.2.2 颜色相加原理 108 7.2.3 颜色的标定 109 7.3 固体发光的颜色表示 112 7.4 辐射度量学和光度学基础 113 7.4.1 概览 113 7.4.2 辐射度量学物理量 114 7.4.3 光度学物理量 115 7.4.4 视见函数 116 思考题7 116 参考文献 117 第8章 分立发光中心发光 118 8.1 分立发光中心概述 118 8.1.1 发光中心的概念 118 8.1.2 分立发光中心 118 8.1.3 分立发光中心的分类 118 8.1.4 复合发光中心 120 8.2 晶体场 120 8.3 稀土离子发光 122 8.3.1 跃迁的选择定则 124 8.3.2 稀土离子的4f→4f跃迁 （4f n组态内跃迁） 124 8.3.3 Eu3+稀土荧光粉的激发 125 8.3.4 稀土离子的5d→4f跃迁发光 126 8.4 具有3d电子的离子发光 130 8.4.1 Oh晶场对3d电子的影响 131 8.4.2 受晶场影响较大的分立发光中心 的发光 133 8.5 电子云膨胀效应[1] 133 8.6 色心[2] 135 思考题8 136 参考文献 137 第9章 能量传递与输运 138 9.1 能量传输的现象 138 9.2 能量传输的定义与传输途径[1] 139 9.2.1 能量传输的定义 139 9.2.2 固态基质中能量传输的途径 139 9.2.3 共振能量传递的模型 139 9.2.4 共振能量传递的光谱特征 142 9.2.5 同核离子间的能量传递 143 9.2.6 交叉弛豫 144 思考题9 146 参考文献 146 第10章 光致发光 147 10.1 发光概念及内涵 147 10.2 光致发光的主要特征及一般规律 147 10.2.1 吸收光谱 147 10.2.2 反射光谱 147 10.2.3 激发光谱 148 10.2.4 发射光谱 148 10.2.5 能量传递 149 10.2.6 发光和淬灭 150 10.2.7 斯托克斯定律和反斯托克斯 发光 150 10.2.8 发光效率 151 10.2.9 发光的衰减 153 10.2.10 热致释光与红外释光 153 10.3 多孔硅发光 154 10.3.1 多孔硅的制备 154 10.3.2 多孔硅的光致发光 155 10.3.3 多孔硅的光致发光机理 158 10.3.4 多孔硅的电致发光 159 10.3.5 多孔硅的应用与展望 159 10.4 延迟荧光 160 10.4.1 有机材料的荧光与磷光 160 10.4.2 延迟发光概述 161 10.4.3 激基缔合物和激基复合物发光 163 10.5 聚集诱导发光 165 10.5.1 聚集诱导发光概述 165 10.5.2 聚集诱导发光效应的机理 研究 165 10.5.3 聚集诱导发光材料的设计 166 10.5.4 聚集诱导发光材料的研究 进展 166 10.5.5 聚集诱导发光的展望 167 思考题10 167 参考文献 168 第11章 电致发光 169 11.1 电致发光器件 169 11.1.1 全固态的电致发光显示器 169 11.1.2 电致发光的分类 169 11.1.3 无机薄膜型电致发光 170 11.1.4 各种构成材料 171 11.1.5 ELD的用途 172 11.1.6 TFEL器件最新进展 172 11.1.7 无机TFEL研究的一般方法 173 11.2 有机电致发光 173 11.2.1 OLED发展历程 173 11.2.2 OLED的分类 173 11.2.3 小分子OLED的结构、发光原理 与材料 174 11.2.4 PELD的结构、发光原理 及材料 181 11.2.5 OLED的一般研究方法 183 11.3 LB膜技术 185 11.3.1 LB膜的历史 186 11.3.2 LB膜技术的优点 186 11.3.3 LB膜技术的缺点 187 11.4 器件的封装 187 11.5 有机电致发光器件特性 190 11.5.1 发射光谱 190 11.5.2 全色显示的方法 191 11.5.3 影响器件失效与寿命的因素 191 11.5.4 OLED的发展现状、应用前景和 展望 192 11.6 有机电致发光基础 192 11.6.1 激发态的多重态（多线态） 193 11.6.2 激发态的能量 193 11.6.3 辐射跃迁 193 11.6.4 无辐射跃迁 193 11.6.5 吸收和辐射之间的相关性 194 11.6.6 跃迁选择规则 195 11.6.7 吸收和辐射跃迁引起分子偶极矩 的改变 195 11.6.8 夫兰克?康登原理 196 11.6.9 影响无辐射跃迁的因素 196 11.6.10 激发态能量转移 196 11.6.11 光致电子转移概念 198 11.7 量子点发光 200 11.7.1 量子点的概念 200 11.7.2 制备方法 201 11.7.3 类型划分 202 11.7.4 主要性质 202 11.7.5 物理效应 203 11.7.6 应用前景 204 思考题11 207 参考文献 208 第12章 激光器发光原理 209 12.1 本章概述 209 12.2 激光的发展与现状 209 12.3 激光的原理、特性和应用 211 12.3.1 玻尔假说与粒子数正常分布 211 12.3.2 自发辐射、受激辐射和受激 吸收[2] 213 12.3.3 粒子数反转与光放大 216 12.3.4 激光器的基本结构 217 12.3.5 激活介质的粒子数反转与增益 系统 218 12.3.6 激活介质的增益系数 219 12.3.7 谐振腔与阈值 219 12.3.8 几种典型的激光器 223 12.3.9 激光的特性及应用 227 思考题12 231 参考文献 231 主要参考书目 232