Fosforescence

Fosforescence ir viens no fotoluminiscences veidiem, līdzīgs fluorescencei. Kad fosforescents materiāls tiek apspīdināts ar gaismu, tas sāk spīdēt, jo absorbējot īsākus gaismas viļņus, tas emitē garākus viļņa garumus. Atšķirībā no fluorescences, fosforescentais materiāls emitē starojumu kādu laiku pēc starojuma avota noņemšanas. Fluorescējošie materiāli pārtrauc izstarot gaismu nanosekunžu laikā (sekundes miljardā daļa) pēc starojuma avota noņemšanas, bet fosforescējošie materiāli var turpināt spīdēt no dažām mikrosekundēm līdz daudzām stundām pēc starojuma avota noņemšanas. Pazīstamā baltā fosfora spīdēšana tumsā nav fosforescence, bet gan hemiluminiscence, kas pavada fosfora oksidēšanos gaisā.

Ir divi atsevišķi mehānismi, kas var radīt fosforescenci. Vienu sauc par tripleta fosforescenci (vai vienkārši fosforescenci), bet otru — par pastāvīgo fosforescenci (vai pastāvīgo luminiscenci).^[1]

Tripleta fosforescence

Lielākā daļa fotoluminescences reakciju, kurās ķīmiskā viela absorbē un pēc tam emitē gaismas fotonu, notiek 10 nanosekunžu laikā. Gaisma tiek absorbēta un izstarota šādos laika posmos tajos gadījumos, kad iesaistīto fotonu enerģija atbilst pieejamajiem enerģijas stāvokļiem un atļautajām pārejām vielā. Fosforescences īpašā gadījumā elektrons, kas absorbēja fotonu, var šķērsot starpsistēmas, nonākot enerģijas stāvoklī ar citu (parasti augstāku) spina multiplicitāti, parasti tripleta stāvoklī. Rezultātā ierosinātais elektrons ir iesprostots tripleta stāvoklī, tas var atgriezties zemākās enerģijas singleta stāvoklī tikai ar "aizliegtajām" pārejām. Šīs pārejas, kaut arī "aizliegtas", kvantu mehānikā tomēr var notikt, taču tās ir kinētiski nelabvēlīgas un tādējādi notiek ievērojami lēnāk. Lielākā daļa fosforescences savienojumu joprojām ir salīdzinoši ātri emitējoši, ar tripleta dzišanas laiku milisekundēs.

Parasti piemēri ir luminiscences spuldzēs izmantotie luminofora pārklājumi, kur fosforescence milisekundēs vai ilgāk ir noderīga, lai aizpildītu "izslēgšanās laiku" starp maiņstrāvas cikliem, palīdzot samazināt "mirgošanu". Luminofori ar ātrāku dzišanas laiku tiek izmantoti ar tādu pielietojumu kā pikseļi, kurus ierosina brīvie elektroni (katodoluminiscence) katodstaru lampu televizoros, kas ir pietiekami lēni, lai ļautu veidot attēlu, kad elektronu stars skenē ekrānu, bet pietiekami ātri, lai kadri nesaplūstu kopā. Pat vielas, kas parasti saistītas ar fluorescenci, faktiski var būt pakļautas fosforescencei, piemēram, šķidrās krāsas, kas atrodamas marķieros, kas ir izplatīta problēma šķidro krāsu lāzeros. Fosforescences sākumu šajā gadījumā dažreiz var ievērojami samazināt vai aizkavēt, izmantojot tripleta dzēšanas vielas.^[2]

$S_{0}+h\nu \longrightarrow S_{1}\longrightarrow T_{1}\longrightarrow S_{0}+h\nu '$

Kur S ir singlets un T ir triplets, indekss apzīmē stāvokļus (0 ir pamatstāvoklis un 1 ir ierosinātais stāvoklis). Pārejas var notikt arī uz augstākiem enerģijas līmeņiem.

Pastāvīgā fosforescence

Cietvielām parasti ir divi galvenie veidi: kristāliskās vielas un amorfās vielas. Jebkurā gadījumā veidojas režģis vai atomu un molekulu tīkls. Kristālos režģis ir ļoti sakārtots un homogēns. Tomēr gandrīz visiem kristāliem ir defekti. Viens no defektu veidiem — vakances defekts, kur atoms neatrodas savā vietā, atstājot tur tukšumu. Dažreiz atomi var pārvietoties režģī no vienas vietas uz otru, radot Šotkija defektus vai Frenkeļa defektus. Citi defekti var rasties no režģa piemaisījumiem. Piemēram, kad oriģinālo atomu aizstāj ar citu, daudz lielāka vai mazāka izmēra atomu, vai arī kad daudz mazāks atoms iesprūst "starpsienās" vai telpā starp atomiem. Turpretī amorfajiem materiāliem nav "tālā sakārtotība" (tālāk par dažu atomu izmēriem jebkurā virzienā), tāpēc pēc definīcijas tie ir piepildīti ar defektiem.

Kad rodas defekts, atkarībā no veida un materiāla tas var radīt caurumu vai "slazdu". Piemēram, trūkstošs skābekļa atoms no cinka oksīda savienojuma rada caurumu režģī, kuru ieskauj nesasaistīti cinka atomi. Tas rada pievilkšanās spēku, ko var izmērīt elektronvoltos. Kad augstas enerģijas fotons mijiedarbojas ar kādu no cinka atomiem, tā elektrons absorbē fotonu un tiek pacelts augstākā orbitālē. Tad elektrons var iekļūt slazdā, un pievilkšanās to var noturēt vietā (ārpus parastās orbitāles). Lai elektrons izietu no slazda un atgrieztos orbitālē, ir nepieciešama pietiekoši liela siltumenerģijas pievade. Nonākot orbitālē, elektrons var atgriezties pamatstāvoklī, kā rezultātā atbrīvojas fotons.^[3]

Materiāli

Pēdējos gados liela uzmanība tiek veltīta istabas temperatūras fosforescencei bezmetāla organiskiem materiāliem. Neorganiskajiem un organiskajiem metāliskajiem kompleksiem, kuri tiek izmantoti fosforescējošos materiālos, ir vairāki trūkumi, piemēram, lielas izmaksas, limitēti resursi un toksiskums. Turpretī bezmetāla organiski istabas temperatūras fosforescējoši materiāli ir relatīvi videi draudzīgāki un vieglāk modificējami. Istabas temperatūras fosforescējošiem materiāliem ir raksturīgs ilgs tripleta eksitonu dzīveslaiks un lielāka Stoksa nobīde, tā padarot tos pielietojamus sensoros, attēlu veidošanā, attēlošanā utt. Bezmetāla organiskus istabas temperatūras fosforescējošus materiālus var iedalīt mazu molekulu un polimēru materiālos. Polimēriem ir liela nozīme elektronikas jomā, piemēram, organiskajās gaismas diodēs, saules baterijās, lauktranzistoros u.c., kas pārsvarā ir skaidrojams ar to priekšrocībām, piemēram, elastību, vieglo apstrādi, zemām izmaksām un labo siltumvadītspēju. Tāpēc istabas temperatūras fosforescējoši materiāli, kuru pamatā ir polimērs ir laba alternatīva zemas masas organiskajiem istabas temperatūras fosforescējošajiem materiāliem.^[4]

Atsauces

↑ Jianrong Qiu. Persistent phosphors : from fundamentals to applications. Oxford, 2021. ISBN 0-12-818772-7. OCLC 1230921886.
↑ Orazio Svelto. Principles of lasers (5th ed izd.). New York : Springer, 2010. ISBN 1-4419-1302-5. OCLC 630114616.
↑ Practical Applications of Phosphors. CRC Press. 2018-10-08. ISBN 978-1-315-21997-4.
↑ Gan, Nan; Shi, Huifang; An, Zhongfu; Huang, Wei (2018). "Recent Advances in Polymer-Based Metal-Free Room-Temperature Phosphorescent Materials" (en). Advanced Functional Materials 28 (51): 1802657. doi:10.1002/adfm.201802657. ISSN 1616-3028.

[1] Jianrong Qiu. Persistent phosphors : from fundamentals to applications. Oxford, 2021. ISBN 0-12-818772-7. OCLC 1230921886.

[2] Orazio Svelto. Principles of lasers (5th ed izd.). New York : Springer, 2010. ISBN 1-4419-1302-5. OCLC 630114616.

[3] Practical Applications of Phosphors. CRC Press. 2018-10-08. ISBN 978-1-315-21997-4.

[4] Gan, Nan; Shi, Huifang; An, Zhongfu; Huang, Wei (2018). "Recent Advances in Polymer-Based Metal-Free Room-Temperature Phosphorescent Materials" (en). Advanced Functional Materials 28 (51): 1802657. doi:10.1002/adfm.201802657. ISSN 1616-3028.

[1]

[2]

[3]

[4]