12.10 : Фотолюминесценция: флуоресценция и фосфоресценция

Фотолюминесценция — это процесс, при котором молекула поглощает энергию света и повторно излучает ее, тоже в виде света. Это явление происходит, когда вещество поглощает фотоны, переводя свои электроны в возбужденные состояния с более высоким энергетическим уровнем, за которым следует процесс релаксации, в ходе которого электроны возвращаются в свои исходные основные энергетические уровни и излучают свет. Фотолюминесценция широко наблюдается в различных материалах, включая полупроводники, а также органические и неорганические соединения.

Пара электронов в синглетном спиновом состоянии занимает одно и то же электронное основное состояние с противоположными спинами, в то время как триплетное возбужденное состояние возникает, когда спин электрона больше не связан со спином основного состояния. Существует два основных типа фотолюминесценции, основанных на задействованных состояниях электронного спина: флуоресценция и фосфоресценция.

Флуоресценция — это тип фотолюминесценции, характеризующийся быстрым временем затухания, обычно в диапазоне от наносекунд до микросекунд. При флуоресценции возбужденное и основное состояния имеют одинаковую кратность электронного спина, что означает, что спин электрона остается неизменным во время перехода. Процесс включает синглет-синглетные переходы, где и возбужденное, и основное состояния являются синглетными состояниями, где все электроны спарены.

Фосфоресценция — это еще один тип фотолюминесценции, характеризующийся значительно более длительным временем затухания, длящимся от миллисекунд до минут. При фосфоресценции возбужденное и основное состояния имеют разные электронные спиновые мультиплетности. Процесс включает триплет-синглетные переходы, где возбужденное состояние является триплетным состоянием (два неспаренных электрона с параллельными спинами), а основное состояние — синглетным. Эти переходы «запрещены по спину», что означает, что спин электрона должен изменяться во время перехода.

Как флуоресценция, так и фосфоресценция могут использоваться в различных приложениях, таких как оптические датчики, биовизуализация и органические светодиоды. Спектры фотолюминесценции регистрируются путем измерения интенсивности испускаемого излучения по отношению либо к длине волны возбуждения, либо к длине волны испускания. Спектры возбуждения получаются путем мониторинга испускания на фиксированной длине волны при изменении длин волн возбуждения. Спектры испускания получаются путем использования фиксированной длины волны для возбуждения молекул.