Luminiscence

Luminiscence ir spontāna elektromagnētiskā starojuma emisija, kuru neizsauc melna ķermeņa starojums, bet gan enerģijas atbrīvošanās, elektroniem pārejot no ierosināta stāvokļa uz pamatstāvokli. Luminiscences ilgums ievērojami pārsniedz gaismas svārstību periodu 10−15 s. [1]

Luminiscējoši kristāli

Luminiscences emitētais starojums novērojams elektromagnētisko viļņu skalas optiskajā diapazonā, ietverot daļu ultravioletā starojuma un tuvo infrasarkano starojumu. Luminiscenci dēvē arī par auksto gaismu. Svarīgi saprast, ka luminiscence fundamentāli atšķiras no kvēles jeb sakarsēta melna ķermeņa starojuma. Kvēli izsauc augsta materiāla temperatūra un novērojama visiem elementiem, kuri nemaina agregātstāvokli augstajā temperatūrā. [2] Kvēli tipiski novēro no 550 °C līdz 1300 °C , bet luminiscence vispārīgā gadījumā nav atkarīga no materiāla temperatūras un novērojama no 3 K līdz agregātstāvokļa maiņas robežai.

VēstureLabot

Interese par luminiscenci aizsākās 1602.gadā, kad tika atklāts izteikti spīdošs Boloņas akmens, kas pēc ķīmiskā sastāva ir BaSO4 ar piejaukumiem. Cilvēki mēģināja paši radīt šādus spīdošus materiālus, bieži vien izmantojot radioaktīvus elementus. Luminiscences pētījumu popularitāte strauji pieauga, sākot ar 1996. gadu, kad tika iegūts ilgi spīdošs stroncija alumināts, aktivēts ar eiropiju un disproziju. Šobrīd ir labi izpētīti zaļās un zilās krāsas luminofori, taču pēdējos gados pieaugusi interese par sarkaniem un infrasarkaniem luminiscējošiem materiāliem, īpaši tādēļ, ka tos varētu potenciāli izmantot medicīnā. [3]

Luminiscences mehānismsLabot

Luminiscenci var novērot materiālos ar defektiem vai apzināti pievienotiem aktivatoru joniem. Šādiem materiāliem, absorbējot pietiekami lielu enerģiju, elektroni no pamatstāvokļa nonāk ierosinātā stāvoklī. Elektroniem, nonākot atpakaļ pamatstāvoklī, tiek izstaroti fotoni. Materiāli daļu enerģijas var zaudēt bezizstarojuma pārejās, tādēļ gaismas veidā emitētā enerģija visbiežāk ir mazāka par absorbētā starojuma enerģiju un attiecīgi izstarotā starojuma viļņa garums ir lielāks par ierosmes viļņa garumu. Šo enerģijas starpību sauc par Stoksa nobīdi. Iespējami arī gadījumi, kad absorbētā enerģija ir mazāka par emitēto, piemēram, augšuppārveidotās luminiscences procesos.

Luminiscences procesu skaidrošanai tiek izmantota cietvielu enerģijas līmeņu zonu shēma, kuru veido valences, vadītspējas un aizliegtā zona. Valences zonā visi enerģijas līmeņi ir aizpildīti un lādiņu kustība nenotiek. Savukārt vadītspējas enerģijas līmeņi ir tukši un, ja šajā zonā nokļūst elektroni, tie netraucēti pārvietojas. Luminiscentos materiālos starp vadītspējas un valences zonu atrodas aizliegtā zonā, kur ideālam materiālam nav enerģijas līmeņu, tātad nav arī lādiņu. Ievietojot kristālā piejaukumus, aizliegtajā zonā iebūvējas enerģijas līmeņi, kas kalpo kā luminiscences centri. Materiālā var rasties arī ķērājcentru līmeņi, kuri uzkrāj absorbēto enerģiju.

Ja luminiscents materiāls absorbē enerģiju, kura lielāka vai vienāda ar aizliegtās zonas platumu, lādiņš no valences zonas var nonākt vadītspējas zonā. No vadītspējas zonas tas, izstarojot termisko enerģiju, nonāk uz luminiscences centra līmeņiem. Pārejot no luminiscences centra līmeņiem uz pamatstāvokli, tiek izstaroti fotoni un tiek novērota luminiscence.

Luminiscentus materiālus raksturo to spīdēšanas intensitāte, ilgums un izstarotās gaismas viļņa garums. [4]

TipiLabot

 
Fluorescences, fosforescences un termostimulētas luminiscences attēlojums

Luminiscenci iedala šādos tipos:

  • Ķīmiskā luminiscence gaisma tiek emitēta ķīmiskā reakcijā;
    • Bioluminiscence gaisma tiek emitēta bioķīmiskā reakcijā;
    • Elektroķīmiskā luminiscence gaisma tiek emitēta elektroķīmiskā reakcijā;
    • Lioluminiscence gaisma tiek emitēta, izšķīdinot ierosinātu cietvielu;
    • Kandoluminiscence gaisma tiek emitēta, materiālam sasniedzot konkrētu temperatūru, bet emitējot īsāka viļņa garuma starojumu kā to, kuru nosaka melna ķermeņa starojums;
  • Kristaluminiscence gaisma tiek emitēta kristalizācijas procesa laikā;
  • Elektroluminiscence gaismas emisiju izsauc elektronu plūsma materiālā;
    • Katodluminiscence gaismas emisiju izsauc apstarošana ar elektroniem;
  • Mehāniskā luminiscence mehāniskā mijiedarbība ar cietvielu izsauc gaismas emisiju;
    • Triboluminiscence gaismas emisiju izsauc kristālisko saišu saraušana. Saišu saraušanu var izsaukt materiāla skrāpēšana, spiešana vai beršana;
    • Fraktoluminiscence gaismas emisiju izsauc kristālisko saišu saraušana. materiālam plīstot jeb plaisai izplatoties;
    • Pjezoluminiscence materiāliem, kuriem novērojams pjezoelektroskais efekts un fluorescence vai fosforescence, efektu sauc par pjezoluminiscenci, nevis par triboluminiscence. Gaismas emisiju izsauc materiāla spiešana, stiepšana vai potenciāla starpības radīšana.
    • Sonoluminiscence gaisma tiek emitēta skaņas radītu gaisa burbuļu eksplozijas rezultātā šķidrumos
       
      Vienkāršots fotoluminiscences mehānisms
  • Fotoluminiscence gaismas emisiju izsauc fotonu absorbcija;
    • Fluorescence fotoluminiscences apakštips. Elektronu pāreja novērojama no singleta uz singleta līmeni. Dzīves laiks pāris nanosekundes ( );
    • Fosforescence elektronu pāreja novērojama no tripleta uz singleta līmeni. Dzīves laiks var būt no dažiem simtiem nanosekunžu līdz vairākām minūtēm ( );
  • Radioluminiscence gaismas emisiju izsauc jonizējošais starojums;
     
    Termoluminiscences process.
  • Termoluminiscence gaismas emisiju izsauc elektronu atbrīvošana no ķērājcentriem jeb režģa defektiem termiskās enerģijas paaugstināšana jeb ierosināta materiāla uzsildīšana; [5][6]
    • Krioluminiscence gaismas emisiju izsauc materiāla atdzesēšana.

Ilgspīdošā luminiscenceLabot

Ja luminiscence pēc ierosmes starojuma pārtraukšanas novērojama minūtes vai stundas, to dēvē par ilgspīdošo luminiscenci. Ilgspīdošā luminiscence tiek dēvēta arī par ilgi spīdošo fosforescenci vai ilgu pēcspīdēšanu, no angļu valodas: persistent luminescence, long-lasting phosphorescence, persistent phosphorescence, afterglow. Ilgspīdošas luminiscences procesos svarīga loma ir ķērājcentriem. Pievienojot materiālam aktivatorus, tie var aizliegtajā zonā radīt ne tikai luminiscences centra līmeņus, bet arī elektronu vai caurumu ķērājcentrus, kuros lādiņi var uzkavēties relatīvi ilgi un, lēnām atbrīvojoties, nodrošināt ilgspīdēšanu. Jo dziļāki ķērājcentri, jo lielāks spīdēšanas laiks, bet luminiscences intensitāte vājāka. [7] [8] [9] Ilspīdošu materiālu pētījumiem bieži vien izmanto dzišanas kinētiku mērījumus un termostimulētās luminiscences metodes.

Termostimulētā luminiscenceLabot

Ierosinot luminiscentu materiālu, daļa no absorbētās enerģijas uzkrājas ķērājcentros. Sildot materiālu, uzkrāto enerģiju iespējams atbrīvot, kā rezultātā novērojama termoluminiscence pie temperatūras, kas lielāka par istabas temperatūru. Noskaidrojot temperatūru pie kuras novērojams luminiscences starojuma intensitātes pieaugums, iespējams noteikt ķērājcentru dziļumu. Vienkārša, bet plaši izmantota metode aptuvenu ķērājcentru dziļumu noteikšanai:

E=Tm/500

Tm - temperatūra(K), pie luminiscences intensitātes maksimuma

E - ķērājcentra dziļums (ev)

Dziļāki centri atbrīvosies pie lielākas temperatūras. [10]

Luminiscenti materiāliLabot

Visbiežāk luminiscenti materiāli ir neorganiski, cieti savienojumi ar pašvielas defektiem vai pievienotiem piejaukumiem. Materiāla pamatmatricas var būt sulfīdi, silikāti, alumināti, gallāti, germanāti nitrīdi un daudzi citi dažādi ķīmiski savienojumi, kuriem iespējams pievienot dažādus piejaukumus, retzemju elementus, pārejas metālus vai citus ķīmiskos elementus. Piejaukumus bieži vien dēvē arī par aktivatoriem. Aktivatorus matricās pievieno zemās koncentrācijas, dažus mol%. Palielinot piejaukumu koncentrāciju, var sākt notikt enerģijas pārnese star to joniem, kā rezultātā enerģija izkliedējas un samazinās luminiscences intensitāte. Populārākie ilgspīdēšanai izmantojamie retzemju elementi: Eu2+, Eu3+, Tb3+, Dy3+, Tm2+, Yb2+, Yb3+, visbiežāk izmantotie pārejas metāli: Mn2+, Mn4+, Cr3+, Ti4+ un pamatgrupas elementi: Bi3+ un Pb2+.

Luminiscentiem materiāliem ir daudz dažādu pielietojumu gan ikdienā, gan zinātnē. Ar luminiscences mehānisma palīdzību var pārveidot vienu starojuma veidu citā, piemēram, UV starojumu pārvērst IR starojumā vai redzamajā gaismā. Šāds efekts tiek izmantots spuldzēs, displejos un mikroskopijā.[11]

PielietojumiLabot

Katram luminiscences tipam ir savs pielietojums.

  • LED jeb gaismu emitējošās diodes balstās uz elektroluminiscences; [12]
  • Fosforescence tiek izmantota gan dekoratīvajos dizaina elementos, gan aviācijas un navigācijas instrumentos;
  • Fosforescenci izmanto lampās un lāzeros;
  • Termoluminiscenci izmanto:
    • Termoluminiscences dozimetros; [13]
    • Termoluminiscences termometros;
    • Iežu vecuma noteikšanai.
  • Neinvazīvos dzīvnieku un augu pētījumos; [14]
  • Ķīmisko vielu analīzei;
  • Jonizējoša starojuma reģistrācijai; [15]

AtsaucesLabot

  1. «Современная высшая школа: инновационный аспект». International Institute of Design and Service.
  2. "An Introduction to Practical Chemistry, including Analysis". BMJ s1-12 (24): 663–663. 1848-11-29. doi:10.1136/bmj.s1-12.24.663. ISSN 0959-8138.
  3. Liepiņa V., “Luminiscences mehānisma pētījumi SrAl2O4:Eu, Dy materiālā”, maģistra darbs, LU Fizikas un matemātikas fakultāte, Rīga: Latvijas Universitāte, 2014, 51 lpp.
  4. C. Ronda, Luminescence From Theory to Aplications, Weinheim: Wiley-VCH, 2008, vol. 260, 978-3-527-31402-7.
  5. Introduction to Radiological Physics and Radiation Dosimetry. Weinheim, Germany : Wiley-VCH Verlag GmbH. 2007-12-29. 264–291. lpp. ISBN 978-3-527-61713-5.
  6. Thermoluminescence of Solids. Cambridge University Press. 1985-05-23. 64–126. lpp. ISBN 978-0-521-24520-3.
  7. P. F. Smet, K. V. Eeckhout, O. Clercq, D. Poelman, “Persistent phosphors”, LumiLab, Department of Solid State Sciences, Ghent University, Ghent, Belgium, 2015., vol. 108.
  8. Liepiņa V., “Luminiscences mehānisma pētījumi SrAl2O4:Eu, Dy materiālā”, maģistra darbs, LU Fizikas un matemātikas fakultāte, Rīga: Latvijas Universitāte, 2014, 51 lpp.
  9. W.L. Chan, Z.Y. Li, K. L. Wong, “Persistent Luminescence Nanomaterials for Biomedical Applications: A Quick Grasp of the Trend”, Singapore, 2016., vol. 362.
  10. A.J.J. Boss, “Theory of thermoluminescence”, Delft University of Technology, The Netherlands, 2007, vol. 12.
  11. Y. Liu, B. Lei, “Persistent Luminescent Materials, in Phosphors, Up Conversion Nano Particles, Quantum Dots and Their Applications”, Singapore: Springer Singapore, 2016., vol. 214, 167214.
  12. Carbon nanotubes : advanced topics in the synthesis, structure, properties, and applications. Berlin : Springer. 2008. ISBN 978-3-540-72865-8. OCLC 233973272.
  13. Ginjaume, M. (2010-12-15). "Performance and approval procedures for active personal dosemeters". Radiation Protection Dosimetry 144 (1-4): 144–149. doi:10.1093/rpd/ncq457. ISSN 0144-8420.
  14. K. SIEGBAHN. Alpha-, Beta- and Gamma-Ray Spectroscopy. Elsevier, 1968. 79–202. lpp. ISBN 978-0-7204-0083-0.
  15. Bhardwaj, D.M; Jain, D.C; Rao, K.V.R; Kumar, Ravi; Singh, Fouran; Gupta, R.P (2004-08). "Photoluminescence and atomic force microscopic studies on pre- and post-irradiated ruby with Ni6+ ion". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 222 (3-4): 533–537. doi:10.1016/j.nimb.2004.03.066. ISSN 0168-583X.