基本介紹
- 中文名：離子發光
- 外文名：Ion emission
- 理論：光學物理
- 原理：離子能級躍遷釋放能量發光現象
- 套用：電視，顯示屏
- 特點：光源穩定，色彩豐富
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等離子發光基本原理
等離子實際就是一種自由電子，是自由離子和原子的組合形態，茫茫宇宙中處處充斥等離子，它占可見物質的99%以上，不可見物質幾乎都是等離子。施加一定的能量使得電子從原子中逸出，能量可以是熱能、電能或光能，如果失去足夠的維持能量，等離子就會重新複合成中性的氣體。
單色PDP是利用氣體產生放電（形成電漿）而直接發射可見光來實現顯示的，其顯示顏色一般為放電氣體的特徵色，如橙色。彩色PDP類似於熒燈光原理，它利用氣體放電產生紫外光，紫外光照射在螢光粉上，使螢光粉發光，形成光柵，使用三基色螢光粉就可以實現多色或全色顯示。但是，無論是單色PDP還是彩色PDP，其主要工作原理都是基於惰性氣體在一定電壓作用下的氣體放電現象。Ne原子的電離反應。由於受外部條件或引火單元激發，氣體內部已存少量的帶電粒子，其中，電子被極間電場加速並達到一定動能時碰到Ne原子，使其電離導致自由電子增殖，如此繼續，形成電離雪崩效應。在Ne氣體中加入極少量Ar氣體是利用Ne和Ar之間的一種電離反應來提高混合氣體的電離截面，以加速電離雪崩進程。伴隨這種氣體電離雪崩過程，電子加速後與Ne原子碰撞也會使Ne被激發至更高能級但又不穩定的激發態Ne，這種激發態的躍遷就產生顯示所需的可見光，輻射峰值波長為585. 2nm，所以單色的顯示色一般為Ne氣體的特徵色，即橙紅色。
對彩色PDP而言，常用的放電氣體為Ne - Xe或He - Xe混合氣體，其放電過程與上面所述的Ne- Ar混合氣體相似，只是在伴隨氣體的電離雪崩過程中，電子被加速後也會與Xe離子碰撞形成Xe的激發態，這種激發態最終躍遷至Xe的基態時，也就產生了147nm波長的真空紫外線，以此激發螢光粉產生出三基色可見光，從而顯示彩色圖像。在PDP中，氣體放電一般工作在伏安特性曲線的正常輝光區，因為該區放電穩定，功耗較低。為達到穩定放電，避免進入大電流的弧光放電區而燒壞顯示器件，對PDP中的放電電流必須進行一定的限制。實用的限流技術有兩種，即電阻限流技術和電容限流技術。利用電阻限流技術形成直流型電漿顯示技術( DC - PDP)；利用電容限流技術則形成交流型電漿顯示技術( AC - PDP)。前者，放電氣體與電極直接接觸，電極外部串聯電阻，作限流之用，發光位於陰極表面，且與電壓波形一致的連續發光。後者，放電氣體與電極由透明介質層相隔離，隔離層為串聯電容，作限流之用，放電因受該電容的隔直作用需用交流脈衝電壓驅動，因此無固定陰極和陽極之分，發光位於兩電極表面，為交替脈衝式發光。此外，另有一類稱作AC/DC混合型PDP技術，其本質只是利用AC放電作引火的DC - PDP或利用DC放電作選址的AC - PDP。彩色PDP技術按工作方式不同也分為AC型和DC型兩大類，但無論是何種方式和結構，彩色PDP都是由數十萬至數百萬個氣體放電單元組成，這些放電單元是在兩塊玻璃基板之間用許多障壁將放電空間分隔而成，每個顯示單元都設有一組電極，並按一定排列形式塗敷有紅(R)、綠(G)、藍(B)螢光粉，放電單元內充人一定壓力的惰性氣體。當在被選單元的電極上加上一定電壓時，其中的氣體即產生放電，放電時所發射的紫外光激發該單元的螢光粉發光，按一定方式進行控制，完成三基色的空間混色，即可實現彩色顯示。彩色PDP技術達到實用化產品的主要有3種類型，即表面放電式AC - PDP、對向放電式AC - PDP、脈衝存儲式DC - PDP，其中表面放電式AC - PDP是彩色PDP研究開發及批量生產的主流技術。
電漿具有以下特徵
(1)氣體高度電離 在極限情況時，所有中性粒子都被電離了。
(2)具有很大的帶電粒子濃度，一-般為10~10個/cm。由於帶正電與帶負電的粒子濃度接近相等，電漿具有良導體的特性。
(3)電漿具有電振盪的特性 在帶電粒子穿過電漿時，能夠產生等離子激元，等離子激元的能量是量子化的。
(4)電漿具有加熱氣體的特性 在高氣壓收縮電漿內，氣體可被加熱到數萬度。
(5)在穩定情況下，氣體放電電漿中的電場相當弱，並且電子與氣體原子進行著頻繁的碰撞，因此氣體在電漿中的運動可看作是熱運動。
稀土離子發光原理
稀土元素具有獨特的電、光、磁、熱性能，因此備受國內外科學家的關注，稀土功能材料也成為了材料領域的研究熱點。在稀土功能材料中，稀土發光材料十分引人注目。隨著有關稀土發光基礎理論研究的不斷深入，稀土發光材料的研究和套用得到了長足發展。稀土發光材料有許多優點：具有豐富的能級，可以發射從紫外光到紅外光的光譜，尤其在可見光區有很強的發射能力；具有較長的能級壽命，可達到毫秒；物理化學性能穩定，能承受大功率的電子束、高能射線及強紫外光作用。近年來，稀土發光材料已經廣泛套用於雷射器、照明、色彩顯示、生物醫療等領域，並逐漸向其他高技術領域擴展。
發光是物質將通過某種方式所吸收的能量轉化為光輻射的過程，是熱輻射之外的另一種輻射。發光材料是指能夠把從外界吸收的各種形式的能量轉換為非平衡輻射的功能材料。自古以來，人類就熱愛光明，厭惡黑暗，希望能隨意地控制光。通過人們不斷的努力，至今已開發出很多實用的發光材料。在這些發光材料中，稀土起的作用遠遠超過其他元素，下面我們來介紹一下稀土元素的發光原理。
Stokes發光與Anti - Stokes發光
如下圖所示，處於基態的離子吸收一個短波長的光子從基態躍遷到激發態，通過無輻射弛豫到較低的激發態，然後通過輻射躍遷回到基態，同時發出一個低能量的長波輻射，這個過程稱為Stokes發光；相反地，基態離子通過吸收兩個或者多個低能量光子而發射出高能量短波輻射的過程稱為上轉換( Upconversion)發光。上轉換髮光材料( Upconversion Materials)是指在吸收長波輻射激發後，可以發射出比激發光源波長短的輻射的發光材料。上轉換髮光現象違反了Stokes定律，也稱為Anti - Stokes發光，上轉換髮光過程比Stokes發光複雜得多。
Stokes發光與Anti - Stokes發光過程示意圖
上轉換髮光機制
1966年法國科學家奧澤爾在材料中發現發射光子的能量大於吸收光子的能量，這是首次發現的上轉換髮光現象。之後人們展開了對上轉換髮光的研究。與Stokes發光相比，上轉換髮光的機制要複雜一些。Auzel認為上轉換髮光過程可以歸結為如下六個過程：能量傳遞上轉換髮光( ETU)、激發態吸收(ESA)、合作敏化上轉換、合作發光、雙光子吸收激發( TPAE)和光子雪崩效應(PA)。
1、能量傳遞上轉換髮光( Energy Transfer Upconversion，ETU)
處於激發態的施主離子把吸收的能量無輻射地傳遞給受主離子，使其躍遷到巾間激發態。在回到基態之前，另一個處於激發態的受激離子又將能量傳遞給該受主離子，使受主離子躍遷到發射能級，然後以一個高能量的短波光子躍遷到基態。ETU過程是摻雜離子之間的相互作用，因此強烈依賴於摻雜離子的濃度。離子的濃度必須達到足夠高才能保證能量傳遞的發生。
2、激發態吸收過程( Excited State Absorption，ESA)
受主離子吸收一個光子而被激發到激發態，在從激發能級返回到基態之前，再吸收一個光子，而被激發到更高的能級，然後向下輻射躍遷到基態實現上轉換髮光。ESA為單個離子的吸收，不依賴於摻雜離子的濃度。
3、合作敏化上轉換( Cooperative Sensitization Upconversion)
兩個處於激發態的施主離子同時把能量傳遞給受主離子而躍遷回基態。與ETU相比，此過程不需要中間激發態。
4、合作發光( Cooperative Luminescence)
兩個處於激發態的離子同時回到基態，發射出能量等於兩個離子釋放能量之和的一個光子。此過程中沒有真正的發射能級，這是與ETU和合作敏化上轉換的主要區別
5、雙光子吸收激發（Two Fhocon Absorption Excilacion，TI AE）
受主離子同時吸收兩個光子被激發到激發態。此過程與ESA的區別是不需要中間激發態。
6、光子雪崩( Photon Avalanche，PA)
光子雪崩上轉換過程比較複雜，泵浦波長與激活離子的基態的吸收波長之差較大，而與某一激發態與其向上能級的能量差相匹配。此過程中激活離子之間存在較大的交叉弛豫速率，且建立雪崩需要一定的時間。
電漿發光材料
電漿發光材料主要是愉性氣體。等離子顯示中用的是以氖氣為基質，另外摻一-些其他氣體，如氦氣、氬氣等。這些氣體主要發橙紅色光。如果摻加一些氙氣則可以發出紫外光，在放電管的近旁塗上發光粉後，便能實現彩色顯示。例如：採用80.9%He+ 11.1%Ar+6.3Xe+ 1.7% Ne的混合氣體,，到約為過去常用的Ne+0.2%Xe混合物發光強度的四倍，以上兩種氣體的混合物的發光最強的譜線值於147nm，實現了情性氣體的真空紫外輻射。又如：用Y2O3：Eu、Zn2SiO4：Mn和Y2SiO3：Ce做成的彩色自掃描等離子顯示板，使用氣壓為2.7x10Pa的He+2%Xe混合氣體,顯示板實現了彩色電視圖像顯示。
