摘要：电磁波、电能、机械能及化学能等作用到固体上而被转化为光能的现象。发光产生于物体从激发态到基态的跃迁。发光过程中物体吸收外界能量到达激发态，经过中间过程的调整又回到基态，并以光发射的形式放出所携带的能量。

固体发光 luminescence of solid

电磁波、电能、机械能及化学能等作用到固体上而被转化为光能的现象。发光产生于物体从激发态到基态的跃迁。发光过程中物体吸收外界能量到达激发态，经过中间过程的调整又回到基态，并以光发射的形式放出所携带的能量。

不同材料在不同激发方式下的发光过程可以很不相同，但有一个共同点：都是固体从高激发态到低激发态（特别是基态）的电子跃迁中释放的能量。

1. 发光的特征

固体发光有两个基本特征：①任何物体在一定温度下都有热辐射，发光是物体吸收外来能量后所发出的总的辐射中，超出热辐射的部分。②当外界的激发源对固体的作用停止后，发光还持续一段时间，称为余辉。

发光是将吸收的能量改变为光能的过程，所以发光的研究必须追及从吸收到发光的全过程，而不能只限于发光跃迁。它的过程大体可分为三个阶段：①激发能量的吸收及发光体跃迁到非平衡状态。②发光体内激发能的调整。③发光体发出光来，回到平衡状态。前两个过程决定于激发方式，后一过程受激发方式影响较少。

2. 发光的分类

一般是按激发方式划分：

①光致发光。即用紫外线激发可得到可见区的各种光谱的发光。

②阴极射线发光。分为真空阴极射线发光和固态阴极射线发光两种：前者是在真空中加速的电子轰击发光屏而使它发光；也包括平板显示中的低压荧光显示（VFD），是用加热阴极的方法释放电子，提供初电子；场发射显示（FED），是用电场释放阴极电子的方法，提供电子。后者是用在固体中加速的电子轰击发光体而产生发光。

③X射线及γ射线发光。它们是高频电磁波，在照射物体时可产生光电效应、康普顿效应、电子-正电子对等，当能量减小到和激发发光所需要的能量数值相近时，才能引起发光的激发。

④注入复合发光。分为PN结发光和有机场致发光：前者是半导体同质结和半导体异质结在施加低电压后的发光；后者是有机小分子或聚合物在高电场下的发光。

⑤带电粒子激发发光。α、β射线等带有正、负电荷的离子，轰击物体时的发光。

⑥场致发光。无机化合物在高电场下的发光。

⑦化学发光。即化学变化中释放的能量，以光的形式发射出来。

⑧生物发光。即生物过程中将能量转化为发光。

⑨结晶发光。即结晶时释放能量，以光的形式发射出来。

⑩摩擦发光。即摩擦中产生的能量，以发光的形式发射出来。

其中，真空阴极射线发光、X射线及γ射线激发发光、高能粒子激发发光中，粒子的能量很高，激发不均匀，都会形成激发通道。它们将产生光电效应、康普顿效应、电子-正电子对、二次电子等和发光无关的效应，但能量降低后可形成激发态。但经过能量调整，达到发光过程都和光致发光类似，所以在作发光研究时多以光致发光作为依据。

3. 光致发光的全过程

分为以下三个步骤：

①光致发光吸收。大致有三类：第一类，基质吸收，它将电子从价带激发到导带。第二类，它将局域态的电子送到导带，或将价带中的电子激发到局域态。第三类，限于分离中心内部的吸收。

②能量调整。经过内部调整，交出部分能量，达到发光态。

③从发光态到基态跃迁发出光来。

绝缘体的发光，多是分立中心的发光。它需要施主的发光光谱及受主的吸收光谱有重叠，而且两者的距离必须在临界距离附近。而发光过程也可能伴有猝灭过程，使能量消耗为热能。

对于半导体则主要是复合发光。在半导体中电子容易移动，它的复发光都是通过载流子的移动，其中也可以有分立发光中心，发光的全过程都在中心内部进行。这也可由电子、空穴移动到这个中心上发出中心的特征光谱。复合发光要符合两个条件，既要能量守恒，又要动量守恒，比较难于满足。但电子、空穴对相遇时，由于它们之间的库仑引力而形成一个联合体，称为激子。它不带电荷，可在晶体中作扩散运动，也可被束缚在某一杂质附近。在无选择性的激发中，基质的激发密度比发光中心的激发密度大。而阴极射线发光的走势和基质被激发时的情况相近，应是高能电子进入发光体内所产生的电子-空穴对在发光中心上复合。在低维材料诸如量子阱、超晶格中，能带都被激子取代，可改变发光的性质。

4. 发光的表征

有如下物理量可以表征：

①强度。这是最基本的要求，用人眼对不同波长的视觉函数校正强度，就可以得到亮度。

②光谱。分线光谱和带光谱，它可用米区分发光的单元。它的曲线一般是高斯型。

③效率。在光致发光中可用量子效率表示，即吸收一个光子能发射几个光子，也可表示为能量效率及光度效率。

④衰减。主要有两类：分立中心的发光随时间的变化符合指数规律；复合发光的本质是两种载流子的复合，但其规律则视具体情况，可从一个极限（单分子过程）变到另一个极限（双分子过程）。

⑤偏振。一般发光没有这一特性。但在少数晶体材料中，它可在偏振光激发下表现出来。

5. 主要的物理问题

由于发光的表征可反映出发光过程中的实质问题，所以研究工作常从这里入手。在光致发光中研究发光的吸收光谱、激发光谱及发光光谱，以了解光从吸收到发光的全过程中各阶段的彼此关系。研究衰减规律，以了解发光过程中电子过程是局限于一个中心，还是在晶体中自由移动，如何移动。

按现有技术，在时间分辦中可测到、、秒，可研究发光跃迁、电子运动及电声子的动态相互作用。

研究杂质性质及浓度对发光的影响，以了解中心所处环境的性质，如对称性及能量传递等。研究发光的效率，以了解猝灭现象的由来及电声子的相互作用。研究温度效应可了解陷阱的分布，排除晶格振动对发光的干扰。通过这些宏观现象可透视其中的物理问题。新发展起来的利用单分子研究其各类性质的技术，可对发光的了解更加深入。

6. 固体发光的应用

发光的主要应用有：

①照明。在提高显色性及发光效率（已达100流/瓦以上）上不断改进。主要是在低压气体放电、三基色发光粉、紧凑结构等的利用潜力上。它帮助解决了人类生存的三大要素（空气、水、日光）之一。现在研究量子剪裁，以适应新的光源及减少公害。

②显示。这是信息传播中必由之路，阴极射线管仍占主体，它的发展前景是平板化。各种发光显示器中等离子体显示已经占有40%以上屏幕的市场，PN结发光二极管也占有了在广场上大面积显示的市场。其他如低压荧光显示（VFD） 的销售量仅次于液晶 （FED）、无机场致发光（IED），有机场致发光（OBL）以及场发射显示 （FED）现在都在谋求产业化。

③探测及能量存储。主要用于探矿及高能射线或粒子的探测，如X射线透视、计算机X射线体层成像（CT）、闪烁晶体等。还可用于余辉、信息存储、剂量计及短时照明（如化学发光等）。

④分析。发光分析的灵敏度高，方法简单，可用于检疵、化学、生物等领域的分析。

7. 固体发光的发展前景

随着材料的创新，如多孔硅、纳米材料、有机小分子及聚合物、新型无机发光材料等，发光研究都揭示出新的规律。随着材料结构的改变，如量子阱、超晶格、微腔等发光中均出现了新的概念。对能带、能级的进一步利用出现了交叉发光、上转换及量子剪裁等新的激发渠道。随着技术的需求，发光又向蓝光及紫外线探素，并在ZnSe、GaN、ZnO上得到进展。这都使发光现象形成了一个新的维度。

发光显示出以下发展趋势：①向短波及长波方向延伸，以适应存储密度的提高和实现全色显示及通过光纤中的长波窗口。②从体材料向界面、表面移动，提高薄膜的功能。③从无机材料向有机材料转移，增大材料的选择机会。④从宏观体系向介观体系、量子器件转移，探素新的性质。⑤从点缺陷的研究扩展到复合缺陷。⑥提高超微区、超快速技术，以提高空间及时间分辨率。

摘自：《中国大百科全书（第2版）》第8册，中国大百科全书出版社，2009年

来源：狮子滩文学坊