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光致發光

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光致發光（Photoluminescence，簡稱PL）是冷發光的一種，指物質吸收光子（或電磁波）後重新輻射出光子（或電磁波）的過程。從量子力學理論上，這一過程可以描述為物質吸收光子躍遷到較高能級的激發態後返回低能態，同時放出光子的過程。光致發光可按延遲時間分為螢光（fluorescence）和磷光（phosphorescence）。

光致發光是一種探測材料電子結構的方法，它與材料無接觸且不損壞材料。光直接照射到材料上，被材料吸收並將多餘能量傳遞給材料，這個過程叫做光激發。這些多餘的能量可以通過發光的形式消耗掉。由於光激發而發光的過程叫做光致發光。光致發光的光譜結構和光強是測量許多重要材料的直接手段。

光激發導致材料內部的電子躍遷到允許的激發態。當這些電子回到他們的熱平衡態時，多餘的能量可以通過發光過程和非輻射過程釋放。光致發光輻射光的能量是與兩個電子態間不同的能級差相聯繫的，這其中涉及到了激發態與平衡態之間的躍遷。激發光的數量是與輻射過程的貢獻相聯繫的。

光致發光可以應用於：帶隙檢測、雜質等級和缺陷檢測、複合機制以及材料品質鑑定。

光致發光材料

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常見的具有光致發光的化合物見下表：

化合物 化學式 激發光 發射光 註釋
鐠(III)化合物 Pr3+ 躍遷：
  • 1D2 → 3F4（1000 nm）
  • 1D2 → 1G4（1440 nm）
  • 1D2 → 3H4（600 nm），1D2 → 3H5（690 nm）
  • 3P0 → 3H4–6（490, 545, 615, 640 nm），3P0 → 3F2–4（700, 725 nm）[1]
釹(III)化合物 Nd3+
  • 4F3/2 → 4I9/2 – 13/2（900, 1060, 1350 nm）[1]
釤(III)化合物 Sm3+
  • 4G5/2 → 6H5/2 – 13/2（560, 595, 640, 700, 775 nm）
  • 4G5/2 → 6F1/2 – 9/2（870, 887, 926, 1010, 1150 nm）[1]
銪(II)化合物 Eu2+ 紫外光 藍光[2]
銪(III)化合物 Eu3+ 紫外光 紅光 特徵峰的位置、強度及說明：
  • 5D0 → 7F0（570~585 nm），很弱至強，僅在Cn、Cnv和Cs對稱性中觀測到
  • 5D0 → 7F1（585~600 nm），強，強度很大程度上和（配位）環境相關
  • 5D0 → 7F2（610~630 nm），強至很強，躍遷敏感，峰很強，和環境相關
  • 5D0 → 7F3（640~660 nm），很弱至弱，禁帶躍遷
  • 5D0 → 7F4（680~710 nm），中至強，強度和環境相關，但不敏感
  • 5D0 → 7F5（740~770 nm），很弱，禁帶躍遷
  • 5D0 → 7F6（810~840 nm），很弱至中，很少測量/觀測[3]
硫酸銪 Eu2(SO4)3 394 nm 紅光
  • 5D0 → 7F0（580 nm）
  • 5D0 → 7F1（590 nm）
  • 5D0 → 7F2（614 nm），強
  • 5D0 → 7F3（652 nm）
  • 5D0 → 7F4（697 nm）[4]
硫酸銪四水合物 Eu2(H2O)4(SO4)3 306 nm 紅光
  • 5D0 → 7F1（592 nm），中
  • 5D0 → 7F2（616 nm），強
  • 5D0 → 7F3（652.5 nm），弱
  • 5D0 → 7F4（698.5 nm），弱[5]
釓(III)化合物 Gd3+
  • 6P7/2 → 8S7/2（315 nm）[1]
鋱(III)化合物 Tb3+ 紫外光 綠光
  • 5D4 → 7F6–0（490, 540, 580, 620, 650, 660, 675 nm）[1]
硫酸鋱 Tb2(SO4)3 紫外光 綠光 特徵峰545 nm[6]
乙酸鋱四水合物 [Tb2(CH3COO)6(H2O)4]·4H2O 369 nm 綠光
  • 5D4 → 7F6（488 nm）
  • 5D4 → 7F5（543 nm），強峰
  • 5D4 → 7F4（583 nm）
  • 5D4 → 7F3（621 nm）[7]
鏑(III)化合物 Dy3+
  • 4F9/2 → 6H15/2 – 9/2（475, 570, 660, 750 nm）
  • 4I15/2 → 6H15/2 – 9/2（455, 540, 615, 695 nm）[1]
鈥(III)化合物 Ho3+
  • 5S2 → 5I8（545 nm）
  • 5S2 → 5I7（750 nm）
  • 5F5 → 5I8（650 nm）
  • 5F5 → 5I7（965 nm）[1]
鉺(III)化合物 Er3+
  • 4S3/2 → 4I15/2（545 nm）
  • 4S3/2 → 4I13/2（850 nm）
  • 4F9/2 → 4I15/2（660 nm）
  • 4I9/2 → 4I15/2（810 nm）
  • 4I13/2 → 4I15/2（1540 nm）[1]
銩(III)化合物 Tm3+
  • 1D2 → 3F4（450 nm）
  • 1D2 → 3H4（650 nm）
  • 1D2 → 3F3（740 nm）
  • 1D2 → 3F2（775 nm）
  • 1G4 → 3H6（470 nm）
  • 1G4 → 3F4（650 nm）
  • 1G4 → 3H5（770 nm）
  • 3H4 → 3H6（800 nm）[1]
鐿(III)化合物 Yb3+
  • 2F5/2 → 2F7/2（980 nm）[1]
四碘化四吡啶合四銅 Cu4I4(R-py)4 366 nm
  • R=H，黃（紫）
  • R=3,4-二甲基，紅（紫）
  • R=2,4,6-三甲基，綠（淡綠）
  • R=2-甲基-5-乙基，碧綠（藍）
  • R=3-甲氧羰基，無光（綠）
 括號外為25 °C時的光致發光，括號內為−196 °C的發光[8]

參考文獻

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  1. ^ 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 de Bettencourt-Dias, A. Luminescence of Lanthanide Ions in Coordination Compounds and Nanomaterials. Wiley. 2014: 11 [2021-10-20]. ISBN 978-1-119-95083-7. （原始內容存檔於2021-10-20）. 
  2. ^ Bünzli, Jean-Claude. Europium in the limelight. Nature Chemistry (Springer Science and Business Media LLC). 2010, 2 (8): 696–696. ISSN 1755-4330. doi:10.1038/nchem.760. 
  3. ^ Binnemans, Koen. Interpretation of europium(III) spectra. Coordination Chemistry Reviews (Elsevier BV). 2015, 295: 1–45. ISSN 0010-8545. doi:10.1016/j.ccr.2015.02.015. 
  4. ^ Denisenko, Yu.G.; Aleksandrovsky, A.S.; Atuchin, V.V.; Krylov, A.S.; Molokeev, M.S.; Oreshonkov, A.S.; Shestakov, N.P.; Andreev, O.V. Exploration of structural, thermal and spectroscopic properties of self-activated sulfate Eu2(SO4)3 with isolated SO4 groups. Journal of Industrial and Engineering Chemistry (Elsevier BV). 2018, 68: 109–116. ISSN 1226-086X. doi:10.1016/j.jiec.2018.07.034. 
  5. ^ X. Zhang, Yu. Ma, H. Zhao, C. Jiang, Yu. Sun, Ya. Xu. Synthesis, characterization and very strong luminescence of a new 3 D europium sulfate Eu2(H2O)4(SO4)3. Journal of Structural Chemistry. 2011-10, 52 (5): 954–958 [2021-10-20]. ISSN 0022-4766. doi:10.1134/S0022476611050179 （英語）. 
  6. ^ Deng, Geng. Terbium glows green. Nature Chemistry (Springer Science and Business Media LLC). 2017-12-19, 10 (1): 110–110. ISSN 1755-4330. doi:10.1038/nchem.2914. 
  7. ^ Beatriz Barja, Ricardo Baggio, Maria T Garland, Pedro F Aramendia, Octavio Peña, Mireille Perec. Crystal structures and luminescent properties of terbium(III) carboxylates. Inorganica Chimica Acta. 2003-03, 346: 187–196 [2021-10-20]. doi:10.1016/S0020-1693(02)01429-9. （原始內容存檔於2022-03-08） （英語）. 
  8. ^ Parmeggiani, Fabio; Sacchetti, Alessandro. Preparation and Luminescence Thermochromism of Tetranuclear Copper(I)–Pyridine–Iodide Clusters. Journal of Chemical Education (American Chemical Society (ACS)). 2012-05-14, 89 (7): 946–949. ISSN 0021-9584. doi:10.1021/ed200736b. 

參見

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