Люминесценция

По определению С. И. Вавилова, люминесценция есть излучение, избыточное над тепловым при данной температуре и обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. Для наблюдения люминесценции вещество принципиально необходимо вывести из состояния термодинамического равновесия, т. е. возбудить. Люминесценция возникает вследствие квантовых переходов из верхнего возбужденного энергетического состояния в нижнее с испусканием электромагнитного излучения, т. е. определяется процессами, обратными поглощению света. В это же время понятие люминесценции относится не к отдельным атомам или молекулам, а к веществу в целом.

При люминесценции каждый из актов возбуждения и излучения разделен промежуточными процессами, что приводит к конечным значениям длительности послесвечения. Люминесценция, обладающая малой длительностью послесвечения (10~8 с и менее), называется флюоресценцией, а большой длительностью — фосфоресценцией. Времена послесвечения при фосфоресценции могут достигать нескольких часов.

Для большинства твердых тел люминесцентные свойства выражены очень слабо. Легирование вещества специальными примесями с целью повышения эффективности люминесценции называется активацией, а сами примеси — активаторами люминесценции. Активированные диэлектрики, обладающие высокой эффективностью люминесценции в видимой области спектра, называются кристаллофосфорами или люминофорами. Элементарными процессами, обусловливающими люминесценцию в таких веществах, обычно являются внутрицентровые оптические переходы, т. е. электронные переходы между энергетическими уровнями, принадлежащими иону (или атому) активатора. Такую люминесценцию иногда называют мономолекулярной.

В полупроводниках люминесценция обычно обусловлена рекомбинацией неравновесных носителей заряда, и поэтому её часто отождествляют с рекомбинационным излучением. Не любой из актов рекомбинации дает вклад в люминесценцию. Рекомбинация называется излучательной, если избыточная энергия рекомбинирующих частиц выделяется в виде кванта электромагнитной энергии — фотона. Если энергия рекомбинирующих частиц в конечном итоге передается решетке, приводя к её разогреву (выделяется в виде квантов колебаний решетки — фононов), то такая рекомбинация называется безызлучательной.

В зависимости от способа возбуждения люминесценции различают: фотолюминесценцию (возбуждение светом); катодолюминесценцию (возбуждение быстрыми электронами, предварительно ускоренными в электронной пушке); радиолюминесценцию и рентгенолюминесценцию (возбуждение радиоактивным и рентгеновским излучением); хемилюминесценцию (возбуждение при химических реакциях); биолюминесценцию, как особый вид хемилюминесценции у живых организмов, связанный с участием ферментов (ферментная хемилюминесценция); электролюминесценцию (возбуждение электрическим полем). Способы возбуждения электролюминесценции в свою очередь могут быть различными, а именно: возбуждение путем инжекции неосновных носителей заряда через гомо- или гетеропереход; возбуждение ударной ионизацией в сильном электрическом поле; возбуждение при туннелировании. Отметим, что процессы излучательной рекомбинации в полупроводниках очень чувствительны к наличию в материале дефектов (примесей, дислокаций, вакансий и т. д.). По этой причине люминесцентные методы часто используют в качестве методов неразрушающего контроля кристаллов, эпитаксиальных слоев, готовых приборов и т. д.