定義

發(fā)光體中以某種方式被激發(fā)后,貯存了能量,然后加熱發(fā)光體,使它以光的形式把能量再釋放出來的發(fā)光現(xiàn)象。

熱釋發(fā)光

熱釋發(fā)光

熱釋發(fā)光材料中含有一定濃度的發(fā)光中心和陷阱,在光或射線粒子激發(fā)下,晶體內(nèi)產(chǎn)生自由電子或空穴,其中一部分被陷阱俘獲。晶體受熱升溫時,被俘的電子熱激發(fā)成為自由載流子,當(dāng)與電離的發(fā)光中心復(fù)合時就發(fā)出光來。發(fā)光強度近似正比于陷阱釋空率(單位時間、單位體積晶體內(nèi)從陷阱釋放出的載流子數(shù))和復(fù)合發(fā)光的效率。熱釋發(fā)光的強度隨發(fā)光體的溫度的變化曲線叫熱釋光曲線。測量時先在低溫(如液He或液N2溫度)下激發(fā)發(fā)光體。選擇加熱方式,可按分析數(shù)據(jù)的需要采取各種時間函數(shù)的變化,常用的是線性加熱。當(dāng)發(fā)光體從低溫開始受熱升溫時,淺陷阱中的電子先受熱激發(fā)到導(dǎo)帶,熱釋光曲線上升,溫度上升到T*時,曲線出現(xiàn)峰值,陷阱釋空時,曲線下降。溫度繼續(xù)上升,在另一溫度T*時,曲線又出現(xiàn)峰值,對應(yīng)于另一更深的陷阱。從曲線高峰的數(shù)目可推斷陷阱大致分為幾種深度,從高峰位置對應(yīng)的溫度可估計陷阱深度。近來由于測試技術(shù)的進步,可以測量發(fā)光光譜隨溫度的變化(見圖)。

利用熱釋光曲線研究陷阱是研究固體的一種簡單而重要的方法,此外,還可利用熱釋發(fā)光現(xiàn)象推斷一些古物的年代。物體受射線輻照時間越長,陷阱中俘獲的電子數(shù)越多,熱釋發(fā)光光和(熱釋發(fā)光曲線下面的面積)也越大,因此能反映發(fā)光體受輻照的歷史。測量樣品的熱釋發(fā)光光和并與參照樣品作比較,原則上可推斷化石等樣品的年代。熱釋發(fā)光及光釋發(fā)光現(xiàn)象作用相同,都是釋放陷阱電子,利用熱釋發(fā)光也可制作劑量計。

應(yīng)用

熱釋發(fā)光

某些發(fā)光材料,在較低溫度下被激發(fā),激發(fā)停止后,發(fā)光很快消失,當(dāng)溫度升高時,其發(fā)光強度又逐漸增強,這種現(xiàn)象稱熱釋發(fā)光(簡稱熱釋光).記錄發(fā)光強度隨溫度的變化,得到的曲線就是熱釋光譜(也稱熱釋光曲線).材料之所以出現(xiàn)熱釋發(fā)光現(xiàn)象,是因為材料禁帶中存在的陷阱能夠俘獲電子,電子從陷阱中獲釋的概率P正比于exp(-E/kT).顯然,隨溫度升高,電子獲釋概率增大,發(fā)光隨之增強。另一方面,由于電子的釋出,陷阱中的電子數(shù)減少,當(dāng)溫度達到某一值后,發(fā)光逐漸減弱,這樣就在熱釋光譜上形成了一個熱釋光峰。熱釋光現(xiàn)象與材料中的電子陷阱密切相聯(lián),利用熱釋光法可以研究發(fā)光材料中的陷阱,因此,這種方法被廣泛地應(yīng)用在放射線和X射線發(fā)光材料的研究中。事實上,陷阱在不含放射性物質(zhì)的長余輝材料發(fā)光中也起著重要的作用,因此可以用熱釋光法來研究這些材料.

利用熱釋光曲線計算陷阱的深度,除半寬法之外,還有很多其他方法,如初始上升法、分段加熱發(fā)光法等。無論用哪種方法,都只是理論上的一種近似。如果不知道固體中電子的動力學(xué)過程,僅從熱釋光曲線的實驗結(jié)果來得到精確的陷阱深度是很困難的。盡管如此,熱釋光法仍是一種研究材料中陷阱的有效方法,它可以直觀地反映不同材料中陷阱的相對深度,并且可以用熱釋光法來檢驗其他方法得到的實驗數(shù)據(jù).

熱釋光峰與余輝的比較

材  料

熱釋光峰/K?余輝/min?陷阱深度/eV

ZnS∶Cu?323?200~400?0.39

SrAl2O4∶Eu(Mg)?343?1?000?0.53

SrAl2O4∶Eu?391、429?3?000?0.67、1.13

從實驗結(jié)果可以看出,ZnS∶Cu、SrAl2O4∶Eu、SrAl2O4∶Eu(Mg)三種材料的熱釋光峰對應(yīng)的溫度值各不相同,余輝長短也不相同。其中ZnS∶Cu的熱釋光峰對應(yīng)溫度最低,余輝也最短;而SrAl2O4∶Eu有兩個熱釋光峰,峰值對應(yīng)的溫度,其余輝最長,達3?000?min,并存在兩種不同深度的陷阱;SrAl2O4∶Eu(Mg)這種材料的熱釋光峰和余輝都居中。材料的熱釋光峰對應(yīng)溫度值越高,其余輝也越長,這和理論上的分析是一致的。熱釋光峰對應(yīng)溫度值越高,材料中的陷阱越深,電子從中獲釋的概率越小,復(fù)合發(fā)光所需的時間越長,發(fā)光維持的時間也越長。從宏觀看材料的復(fù)合發(fā)光衰減余輝長.

除不同類材料之間存在這種規(guī)律外,同一類材料,由于各成份濃度、制備工藝等的不同,其熱釋光譜和余輝時間也不相同[2,3].如1971年Abbruscato制備過鋁的SrAl2O4∶Eu,其熱釋光峰對應(yīng)的溫度值位于200?K,余輝時間為20?s.1993年日本的松盡隆嗣得到了熱釋光峰對應(yīng)溫度值為353?K,余輝時間為2?000?min的SrAl2O4∶Eu材料。而我們制備的SrAl2O4∶Eu有兩個熱釋光峰,對應(yīng)溫度值分別為391?K和429?K,其余光長達3?000?min以上,這個結(jié)果與唐明道[4]等測得的結(jié)果是基本相同的。熱釋光峰對應(yīng)的溫度值越高,陷阱越深,余輝也越長.

從以上的討論看出,用熱釋光法研究長余輝材料,可以很好地了解材料中陷阱的相對深度,從而為研究長余輝材料的微觀結(jié)構(gòu)提供了一個很好的導(dǎo)向和證明方法,也為研究新型長余輝材料提供了可靠的依據(jù).

結(jié)論

熱釋發(fā)光

通過對ZnS∶Cu、SrAl2O4∶Eu、SrAl2O4∶Eu(Mg)三種材料熱釋光譜、余輝時間的測量和比較,可以看出材料的熱釋光峰對應(yīng)的溫度值高,余輝也長,說明材料中的陷阱深度是決定其余輝長短的主要因素。同時證明了熱釋光法是研究長余輝材料的有效手段.

熱釋發(fā)光的雙分子過程

利用熱釋光曲線可以近似計算陷阱的深度。對于長余輝材料,可認為釋光為雙分子過程,則有

雙分子過程

其中 s為頻率系數(shù),n為陷阱電子濃度,E為陷阱深度,k為波爾茲曼常數(shù),T為絕對溫度,A0為復(fù)合率,A為俘獲概率,υ為陷阱總數(shù)。假定n《υ,則式(2)可變?yōu)?p>

雙分子過程

將式(1)、式(3)中的常數(shù)部分用一個字母C表示,則兩式可寫成如下形式

雙分子過程

測定的過程中,加熱速率不變,故代入上式積分得

雙分子過程

其中T0為激發(fā)時溫度,n0是T=T0時的n值。將式(5)代入

雙分子過程

雙分子過程

熱釋光曲線峰值溫度Tm處,有

雙分子過程

,得

雙分子過程

由于

雙分子過程

,式中Im為發(fā)光強度的峰值,Lm為峰值的光和。所以有

雙分子過程

假定向下降那邊(或向上升那邊)的半個熱釋光峰的面積等于有同樣高度、半寬度的三角形的面積,可寫成Lm=Imδt.δt是以時間為單位的后(或前)半個峰的寬度。由δt=δ/β得:δIm=βLm,其中δ=T2-Tm,T2是相應(yīng)于峰值強度一半處的溫度(沿下降邊或上升邊),代入式(8),得到陷阱能級深度

雙分子過程

式中k為波爾茲曼常數(shù),Tm為熱釋光曲線峰對應(yīng)的溫度值。這種計算陷阱深度的方法稱為半寬法.

利用熱釋光曲線計算陷阱的深度,除半寬法之外,還有很多其他方法,如初始上升法、分段加熱發(fā)光法等。無論用哪種方法,都只是理論上的一種近似。如果不知道固體中電子的動力學(xué)過程,僅從熱釋光曲線的實驗結(jié)果來得到精確的陷阱深度是很困難的。盡管如此,熱釋光法仍是一種研究材料中陷阱的有效方法,它可以直觀地反映不同材料中陷阱的相對深度,并且可以用熱釋光法來檢驗其他方法得到的實驗數(shù)據(jù)

參考書目

中國科學(xué)院吉林物理所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)固體發(fā)光編寫組:《固體發(fā)光》,中國科技大學(xué)出版,1976。

D. Curie,Luminescence in Crystals, Methuen, London,1963.