发光材料的原理及其应用

中图分类号：TP399文献标识码：A文章编号：1009－2552（2011）11－0146－04

发光材料的原理及其应用

于三义

（哈尔滨电力职业技术学院，哈尔滨150030）

要：发光材料因为其在国家能源战略和人们日常生活上的重要地位，越来越受到关注。发光材料的发光原理，发光特点，在应用上的优势，以及更好地利用这些优势较之于其他材料，摘

发光材料更容易让人产生疑问。文中介绍几种不同的发光材料，分析它们的发光原理和发光特点，并结合实际生活探究其应用前景。关键词：发光材料；原理；特性；应用前景

Principlesandapplicationsofluminescentmaterials

YUSan-yi

（HarbinElectricPowerVocationalTechnologyCollege，Harbin150030，China）

Abstract：Luminescentmaterialsareattractingmoreandmoreattentionbecauseoftheirimportanceinbothnationalenergystrategyandpeople’sdailylife．Comparedtoothermaterials，luminescentmaterialsareeasierforustodoubt，suchaswhytheycanlight，whattheircharacteristicsare，whatadvantagesofthesematerialsare，howtheycanbeusedbetterandsoon．Toexplainthesequestions，thispaperdescribeafewkindsofluminescentmaterials，andthenanalysestheirluminescentprinciplesandcharacteristics，andfinallydiscussesontheirapplicationprospectscombinedwithourreallife．Keywords：luminescentmaterial；principle；characteristic；applicationprospect

0引言

众所周知，材料、能源和信息是21世纪的三大

激励发光材料发光的方式有很多，总体说来，可以分为物理方法和化学方法。不同的激励方式会使不同的发光材料发光，根据激励方式的不同，可以把包括有化学致发光材料、电致发发光材料进行分类，

光材料、热致发光材料、声致发光材料、摩擦致发光阴极射线（电子束）致发光材料、光致发光材材料、

X射线致发光材料和γ射线致发光材料等料、

［1］

支柱。发光材料作为人类生活中最为重要的材料之一，有着极其重要和特殊的地位。随着科学技术的进一步发展，发光材料广泛运用于化工、医药食品、电力、公用工程、宇航、海洋船舶等各个领域。各种势必都需要新型高科技在运用于人类日常生活中，用到部分不同成分和性质的发光材料。

从20世纪70年代起，科学家们发现将稀土元可以大大提高材料的光效值、流明素掺入发光材料，

数和显色性等性能，从此开启了发光材料发展的又一个主要阶段。世界已经离不开人造光源，荧光灯作为最普遍的人造光源之一已在全世界范围内开始应用，据统计全世界60%以上的人工造光是由荧光灯提供的，而大部分荧光灯就是利用稀土三基色荧光粉发光的。—146—

。

1发光现象及其原理

发光材料自从被人们发现以来，其广泛的应用

前景就得到了人们的重视，一代又一代的不同的发光材料不断地改变着人们的生活。

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

收稿日期：2011－05－05

作者简介：于三义（1959－），男，讲师，研究方向为发电厂及变

电站。

能量较高的能级时称为激发态；当有入射光子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，处于激发会向低能级跃迁，并同时态；电子在激发态不稳定，

就会发出不同发射光子；电子跃迁到不同的低能级，

的光子，但是发出的光子能量肯定不会比吸收的光子能量大。人造光源就是根据发光机制，人为地使电子发生跃迁而发光。依照不同的跃迁原理，可以将人造光源分成荧光灯（Fluorescent）、白炽灯（In-LED、HID及其他等五大类别。日常生candescent）、

活中常见的主要是前面三种。1．1

荧光现象

荧光发光的主要原理：紫外线的光子的能量比可见光的能量大；当荧光物质被紫外线照射时，其基态电子就会吸收紫外线的光子被激发而跃迁至激发态；当它向基态跃迁时，由于激发态与基态间还有其他能级，所以此时释放的光子能量就会低于紫外线的能量，而刚好在可见光的范围内，于是荧光物质就会发出可见光，这种光就叫做荧光。常见的日光灯发出的白光，是由多种荧光物质发出的，每种荧光物质发出一种颜色的光，按一定的比例组合，就会组合成白色光，也就是复色光。

物质经过紫外线照射后会发出荧光，这种荧光发光现象可分为两种情况：第一种是自发荧光，如叶绿素、血红素等经紫外线照射后，能发出红色的荧光，称为自发荧光；第二种是诱发荧光，即物体经荧光染料染色后再通过紫外线照射发出荧光，称为诱发荧光。

日常生活中，常常将荧光光源与磷光光源混为一谈，实际上无论从从发光原理还是发光特性上来讲两者都有本质的区别。

磷光是一种缓慢发光的光致冷发光现象。受激发分子的电子在激发态发生自旋反转，当它所处单重态的较低振动能级与三重态的较高能级重叠时，就会发生窜跃，到达激发三重态，经过振动驰豫达到最低振动能级，然后以辐射形式发射光子跃迁到基态的任一振动能级上，这时发射的光子称为磷光。由于发出磷光的退激发过程不符合量子力学的跃迁选择规则，所以这个过程很缓慢，当入射光停止后，发光现象持续存在。所谓的“在黑暗中发光”的材料，通常都是指磷光性材料，最常见的磷光材料就是夜明珠。

1．2LED现象

LED是Light－EmittingDiode的缩写，中文意思

是发光二极管。

发光二极管是可以将电流顺向通到半导体PN结处，从而引起发光。大多数的发光二极管采用双GE公司生异质结结构或者量子阱结构。1962年，

产出了商品化的红色LED，采用的是GaAsP。最初的红色LED的光通量为0．1lm/W，约是普通灯泡的1/150，其发光效率大约每10年提高一个数量蓝色LED和绿色LED也已经实用化，其级。最近，

发光强度超过A1GaAs类的红色LED，它们采用氮化物半导体（InGaN混晶）作活性（发光）层的量子发光强度超过10ed，量子效率超过20%。阱结构，

科学家们还开发出了外部量子效率超过50%的AlInGaP红色LED（630nm）和琥珀LED（595nm），InGaN绿色、蓝色LED的量子效率也接近上述值。1．3

白炽灯现象

白炽灯是大家所熟知的，日常生活中应用最广泛的一类发光器件。白炽灯可以将电能转化为光能，其工作原理是

［2］

：电流通过灯丝（钨丝，熔点达

3000多摄氏度）时产生热量，螺旋状的灯丝不断将热量聚集，使得灯丝的温度达2000摄氏度以上，灯丝在处于白炽状态时，就像烧红了的铁块能发光一样而发出光来。钨灯丝的温度越高，其发出的光就越亮。这类发光器件称之为白炽灯。1．4

HID现象

HID是HighIntensityDischarge的缩写，中文意思是高压放电灯。

HID的发光原理：首先在灯管内封入一定的发电启动气体和发光添加物（金属），然后在发光管内两端的电极间施加一定的电压，启动气体（氩气及氙气）会使其开始放电，此时产生的放电弧光高温达数千度，从而使管内的添加物蒸发而产生气体，蒸发的气体与添加物原子内之电子相互碰撞，添加物的电子在固有波长内会被激发而发光。不同添加物发出光的波长不同，例如水银会发出青色的光，钠会发出橘色的光，铊会发出绿色的光。改变发光管内添加物的种类，以及不同添加物相互组合的比例，就可以改变高压放电灯的发光、颜色和效率等特性。常见的灯泡添加物以及对应的发光特性如表1所示。

—147—

表1

HID种类水银灯

常见灯泡添加物

少的较便宜的荧光粉开发成功，这种节能灯的应用迅速增长。90年代中期，国际上推出了TMT2直管型荧光灯，管径仅7mm，功率为6～13W，光效为621m/W。随后的T5直管型荧光灯管，直径为16mm，功率为14～35W，功率28W时其光效可达104m/W，寿命大于16000h。

T5荧光灯管是新一代的高频环保节能灯管，它是目前最理想的节能照明光源。这种灯管的特点是涂敷稀土三基色荧光粉为发光体

［1］

灯泡添加物及特性描述封入水银及氩气

而产生青白色的光靠水银发光，封入钠、水银及氙气钠所生的光为橘色复金属灯

封入钠（橘色）、铊（绿色）、锢（青色）、钪（白色）等金属卤化物及水银和氙气

高压钠光灯

复金属灯由封入金属发出的混合光，而得到白色光；由封入可发出3000～6000K的光及更好之金属组合变化，演色性，更佳的效率

，采用固态汞减

光效高、光色少二次污染及高频电点灯的新技术，

好、无频闪、提高了光的质量、缩短了工序、降低了能耗、减少了汞污染、净化了生产环境、提高了生产效是今后几年大力推广的产品，市场前景优于当前率，

的紧凑型节能荧光灯。2．1．2

汞灯

汞灯是利用氩气和汞蒸汽的放电作用来发光的，其发光强度高于荧光灯。所用的铕激活的钡酸钇荧光粉可以起到改善光色的作用。高压汞灯主要应用在街道和工厂等需要很强白光照明的场所中。近年来钠放电灯和金属卤化物HQT灯已代替了高压汞灯，它的市场日渐衰落。钠放电灯和金属卤化物HQT灯比汞灯的颜色再现性好，发天然白光。美国通用电报电话公司麻省实验室的研究人员已经研究出一种改良型低色温用的汞灯，将铈激活的钡酸钇荧光粉混入，制成了功率为400W的暖色汞灯，其照明度25500流明，色温3350K，比普通汞灯的稳定性好，效率更高。2．1．3

碳弧灯

碳弧灯是将稀土氟化物加入到棒芯中，使发射的弧光强度提高10倍，同时弧光颜色由浅黄色变为接近日光色。这种碳弧灯主要用作探照灯以及彩色电影摄像和放映。2．1．4

高压钠灯

高压钠灯中用半透明氧化铝作弧型管材料，氧化铝中添加少量氧化镁和氧化钇作烧结助剂来改善材料的光学性质，为了增强氧化铝的半透明度，氧化钇的粒径应在25微米左右。若粒径太大则会降低强度。但是，高压钠灯中的稀土杂质偏析会导致钠浸蚀氧化铝管，这是目前的一大应用问题。

这些灯用荧光粉还可以用于街道路标、楼房门牌标号、消防安全标志、广告牌等，起到夜间标志作用

［3］

发光管一般使用石英玻璃管（水银灯具复金属灯）及氧化铝陶瓷管（高压钠光灯），内部有一对钨发光管内在抽成高真空后，封入氪气、氙气和电极，

发光用的金属物质。在其外面还有一个用硬质玻璃外管抽成高真空后，封入氮气等惰性气制成的外管，

体。外管会在玻壳内部涂有白色的扩散膜（萤光体），将发光管放射的光扩散及防止刺眼。外管主要功用如下：（1）保护内部的发光管；（2）发光管的保温作用；（3）防止导线氧化；（4）隔绝紫外线。

2发光材料的应用

发光材料种类繁多，发光原理各不相同，发光特

性也各有千秋。如何利用不同材料的发光特性，取其优点、避其缺点，将成为能否更好的应用发光材料的关键。

结合不同材料的发光特性，主要从光致发光材阴极射线发光材料、电致发光材料、辐射发光材料、

光释发光材料和热释发光材料等六个方面介绍料、

发光材料的应用现状和前景。2．1

光致发光材料

光致发光材料主要用于制造灯用的荧光粉。由具有小型化、大功光致发光材料制成的发光器件，

率、低光衰、高光效、高显色、无污染、无频闪、实用化、智能化、艺术化等优点。这类发光器件主要作为例如照明、光化学光源、复印各类不同用途的光源，

机光源等。其中由三基色荧光粉（红、绿、蓝三种稀土的荧光粉按一定比例混合而成）制成的节能灯，由于发光效率比白炽灯高出二倍以上，光色也较好，而受到世界各国的重视。2．1．1

稀土节能灯

稀土荧光粉可应用于办公室、百货商店和工厂中的高性能荧光灯。80年代中期以来，随着含铽较—148—

。

2．2阴极射线发光材料

阴极射线发光材料主要用于制造显示用荧光

它可以用来作为一种弱照明的不熄光源，例如涂覆在仪表上，可在夜间或暗处观察。实际上，为了减低放射线对人体的伤害，现在常采用半衰期较短、毒害例如氚（半衰期12．33年）、钷较低的人工同位素，

（半衰期2．65年），发光材料则用ZnS等。2．5

光释发光材料

光释发光是利用外界光释放陷阱电子的一种现象。光释发光的材料可以用来分析陷阱的种类和深度。将红外光释材料作为敏感元件，放在红外瞄准就可以用来探测红外线。利用红镜之类的仪器上，

外光释材料还可以制作记录核辐射的剂量计。2．6

热释发光材料

热释发光现象与光释发光现象作用相同，它利用热量来释放陷阱电子。利用热释发光曲线研究陷阱也是研究固体的一种简单而重要的方法。通过热释发光现象，还可以推断一些古物的年代：物体受射线辐照时间越长，陷阱中俘获的电子数越多，热释发光强度越大，因此它能反映发光体受辐照的历史。同光释发光类似，热释发光材料也可制作剂量计。

目前，发光材料在照明、显示、信息等方面已获得了广泛的应用，成为人类生活中不可缺少的重要组成部分。相信随着研究的深入和技术的进步，发光材料更多的优良特性将被发掘，更多性能优良的发光材料也将被发明，发光材料的未来必将是辉煌的。

粉，可以用来制造电视机、示波器、雷达和计算机等各类荧光屏和显示器。

稀土红色荧光粉，主要成分是Y2O3：Eu和Y2O2S：Eu，可以用于彩色电视机荧光屏，使彩电的亮度达到了更高水平。蓝色和绿色荧光粉目前仍使用非稀土的荧光粉，但La2O2S：Tb绿色荧光粉发光特性较好，具有很好的开发前景。计算机不像电视而是优先考虑显示器的机那样重视颜色的再现性，

Y2O2S中Eu的含亮度，因而采用橙色更强的红色，量通常为5wt%～7wt%，而彩色电视机红色荧光粉中Eu的含量约为计算机的1．5倍。

此外，稀土飞点扫描荧光粉（Y2SiO5：Ce3+）也已广泛用于彩色飞点扫描管、电子显示管、扫描电镜观察镜。2．3

电致发光材料

利用电致发光的原理可制成等离子显示板，例如壁挂式的彩色电视机。等离子显示板（PDP）的发光原理是在两块基玻璃基板之间充入惰性气体，使其在电压作用下发生气体放电而产生紫外线，进而激发三基色荧光粉产生可见光。由于PDP响应速度快、视角大、亮度高，而被制成大屏幕显示器。2．4

辐射发光材料

辐射发光材料主要应用在以下几个方面：（1）制成闪烁计数器、闪烁探测器，用来进行射线强度、能谱及剂量的测量。

（2）制成X射线医疗及工业无损探测用的直接观察屏，以及使乳胶感光的增感屏。直接观察屏要求发光谱与人眼光谱响应匹配，一般谱峰在520～560nm之间。增感屏则要求减少感光乳胶对X射线的吸收，而利用屏中辐射发光材料吸收X射线发出的光使乳胶感光，因此，其发光的光谱应与乳胶的光谱响应相匹配。

（3）制成永久性发光材料。有些同位素元素的半衰期很长，在发光材料中加入少量的这种放射性同位素，可以在没有其他外加能源的情况下，保持长时间地发光，所以称这种材料为永久性发光材料。

3结束语

主要介绍了日常生活中常见的几种发光现象和

并结合实际应用，对人造光源的发光材料发光原理，

进行了分类总结。发光材料的发展很快，应用也越来越广泛，但发光材料的研究还有很多有意义的工这种研究是多学科性的，包括物理、化学、器件工作，

艺和材料科学等，研究也将产生新颖高级发光材料和发光器件的新概念、新技术和新应用。参考文献：

［1］孙家跃，肖昂，杜海燕，等．稀土光致发光材料的研究现状和应

．北京工商大学学报，2002（12）．用［J］

［2］赵牧横．人造光源的种类［J］．新技术，2006．

［3］白木．自发光材料的应用前景［J］．光与照明，2003（6）．

责任编辑：刘新影

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