发光材料研究进展

第1章发光材料的基础理论

1.1发光材料导论

1.1.1发光现象

光是人类生产和生活必不可缺的一种资源。远古时代，太阳光是唯一的自然光，但太阳光的辐射时间有限，不能满足生产和生活需求，于是就出现了模拟太阳光的行为。最早的人造光是利用火获得的，随后发展为加热。迄今为止，最成功的模拟是白炽灯，即现在应用最为广泛的光源。

与太阳的热辐射相比，白炽灯不需要加热即可发出可见光。这类发光材料的发光中心吸收能量后，即可发出所需光谱范围内的光。能够被发光材料吸收的能量包括电子束、电场、高能粒子等。经过长期的发展，发光材料在照明、光电显示、医疗卫生、公共安全等领域得到了广泛的应用，遍布我们日常生活的各个角落。

为了更好地理解发光现象，首先介绍一些基本概念。激发：以某种方式把能量交给物质使电子升到一定高能态的过程。物质受到激发后处于激发态。光谱：电磁辐射按照波长或频率的有序排列，每个辐射波长都有相应的辐射强度。“发光”是一个专业名词，它具有特殊的含义，它是指物质吸收一定的能量后，电子从基态跃迁到激发态，若在返回基态的过程中有光辐射，这种现象就称为发光。发光就是把激发能转化为光辐射的过程。由于这种发光只在少数发光中心产生，不会使物质的温度发生改变，因此也称为“冷光”。通过发光建立起来的对物质成分、含量、相互作用等过程的分析方法，称为分子光谱分析法。

根据分类方式的不同，发光可以分为不同的类型。根据激发方式的不同，发光可分为光致发光(Photoluminescence)、化学发光(Chemiluminescence)、生物发光(Bioluminescence)、电致发光（Electroluminescence)等。根据发光寿命的不同，发光可分为荧光（Fluorescence)、磷光(Phosphorescence）、延迟荧光(Delayed Fluorescence)等。根据发光动力学的不同，发光可分为自发光、受迫发光等。自发光是指已经被激发的粒子受粒子内部电场的作用回到基态的发光过程，光致发光都是自发光。受迫发光是指在外界因素的影响下通过光辐射方式回到基态的发光过程。比如，半导体材料中会产生俘获态的电子一空穴对，这种电子一空穴对不稳定，处于亚稳态能级，光可以使导带中的电子脱离俘获态，与价带中的空穴复合，发生激子重组，通过光辐射的形式将多余的能量释放出来，这种发光过程即受迫发光。根据激发能量的不同，发光可分为白热光、辐射发光、摩擦发光、热致发光、声致发光等。白热光（Incandescence)是指光从热能中产生。通常处于较高温度的物体都能够发出明显的可见光。例如，加热的铁块通常看不到其发射光，但能够感受到其辐射的热量，当铁块的温度升高至500℃左右时，它开始呈现暗红色的光辐射，且随着温度的升高光辐射逐渐增强，颜色变为橙红色。辐射发光（Radio-luminescence)是指由核辐射引起的发光。摩擦发光(Triboluminescence)是指由机械运动或机械运动产生的电流激发的电化学发光，例如燧石快速击打等产生的发光。热致发光Thermoluminescence)是指处于较高温度的物体，当温度达到某个临界点时发光的现象。

发光过程有多种表征方式，本书主要关注的内容包括：①发光光谱（Spectrum），包括中心波长或频率、形状和精细结构、半宽度、积分面积等；②发光强度（Intensity）或光子计数，量子产率；③光的衰减(Decay)或发光寿命；④光的偏振(Polarization)和各向异性(Anisotropy)；⑤光的散射（Scattering)，包括瑞利(Rayleigh)或拉曼（Raman)散射。

与吸收相比，发射光谱分析法的灵敏度通常更高，这是由于吸收光谱分析是建立在光源背景下的，即测量的是入射光的减少量，对于极稀的溶液，吸光度很小，甚至接近于零，因此吸收光谱法通常灵敏度较低。发射光谱法中应用最广泛的是荧光分析法。荧光分析法直接测量的是暗背景下的发光，原则上只要仪器的检测器具有足够高的灵敏度，甚至可以检测单分子的发光。同时，荧光发射的强度还可以通过改变入射光电压、狭缝宽度等进行调节。更重要的是，荧光分析法还具有更好的选择性，能够吸收紫外-可见光的物质很多，但能够在特定激发下发出特定波长光的物质则极为有限，且荧光分析法的可选择因素更多，如激发波长、发射波长等。

发光是一项极为伟大的发现，它的出现颠覆了依靠太阳光生产、生活的历史，也为各项前沿技术的发展奠定了基础。

1.1.2发光材料发展简史

由1.1.1节可知，发光是一个很广泛的概念，本书中主要关注光致发光的相关内容，下面以荧光和磷光为例，简单介绍发光材料的发展历史。

本教材在总结述发光材料发光原理和测试研究方法的基础上，重点论述聚集诱导发光材料的研究进展、发光性能、发光机理及其应用，包括含芳香环的共轭发光材料、不含芳香环的非传统的聚合物(如超支化聚硅氧烷、超支化聚酰胺胺、超支化聚氨基酯、超支化聚醚酰胺、超支化聚碳酸酯等等)、金属有机发光材料等、碳量子点发光材料。每一章侧重论述各类发光材料的制备方法、结构与发光性能的关系、发光机理，以及在发光器件、生物成像、离子检测、药物控释、荧光墨水、信息加密等不同领域可能的应用。