Жарқырағыш заттар және олардың түрлері

Кіріспе

Люминесцентті зат – химиялық элемент.

Фосфор – люминесценция құбылысын көрсететін зат; ол сәулелену энергиясының қандай да бір түріне ұшыраған кезде жарық шығарады. Бұл термин флуоресцентті немесе фосфоресцентті заттар үшін де, ультракүлгін немесе көрінетін жарыққа ұшырағанда жарқырау үшін де, катодтық сәулелік түтікшедегі электронды сәулемен (катодтық сәулелер) соққанда жарқырау үшін де қолданылады. Фосфор сәулеленуге ұшыраса, оның молекулаларындағы орбитальдық электрондар жоғары энергия деңгейіне өтеді; олар бұрынғы деңгейіне оралғанда, энергияны белгілі бір түстің жарығы ретінде шығарады. Фосфорларды екі топқа бөлуге болады: энергияны бірден шығаратын және қоздырғыш сәулелендіру тоқтатылғанда жарқырауын тоқтататын флуоресцентті заттар, және энергияны кейкелген уақыттан кейін шығаратын фосфоресцентті заттар, сондықтан олар сәулелендіру тоқтатылғаннан кейін де жарқырайды, жарықтығы миллисекундтардан күндерге дейін азаяды. Флуоресцентті материалдар фосфорды үнемі қоздыратын қолдануларда пайдаланылады: катодтық сәулелік түтіктер (CRT) және плазмалық бейне экрандар, флуороскоп экрандары, флуоресцентті шамдар, сцинтилляция датчиктері, ақ LED шамдар және қара жарық өнеріндегі жарық бояулары. Фосфоресцентті материалдар тұрақты жарық қажет болған жерде қолданылады, мысалы, қараңғыда жарқыратын сағаттардың циферблаттарында және ұшақтардың аспаптарында, сондай-ақ радар экранында нысананың «сияқырауының» радар сәулесі айналғанда көрінуі үшін. CRT фосфорлары Екінші дүниежүзілік соғыстың басында стандартталды және "P" әрпімен және нөмірмен белгіленді. Фосфор – жарық шығаратын химиялық элемент, оның аты фосфорларға берілген, ол фосфоресценция емес, химилюминесценция арқылы жарық шығарады.

Жарық шығару процесі

Органикалық емес материалдардағы сцинтилляция процесі кристалдардағы электрондық жолақтың құрылысына байланысты. Келіп түскен бөлшек электронды валенттік жолақтан өткізгіш жолаққа немесе экситондық жолаққа (өткізгіш жолақтың астында орналасқан және валенттік жолақтан энергиялық саңылаумен бөлінген) қоздыра алады. Бұл валенттік жолақта сәйкес келетін бос орынды қалдырады. Қоспалар тыйым салынған саңылауда электрондық деңгейлерді жасайды. Экситондар – бұл кристалл торында серуендейтін, тұтас алғанда қоспалар орталықтарымен ұсталатын электрон-бос орын жұптары. Олар сцинтилляциялық жарықты (жедел компонент) шығара отырып, тез деэкцитацияланады. Өткізгіш жолақта электрондар өздеріне байланысты бос орындардан тәуелсіз. Бұл электрондар мен бос орындар ыдырау орталықтарымен бірінен соң бірі ұсталады, экситондарға қолжетімді емес белгілі бір метастабильді күйлерді қоздырады. Бұл метастабильді қоспалардың баяу деэкцитациясы, тыйым салынған механизмге сүйену арқасында баяулайды, нәтижесінде қайтадан жарық шығарылады (баяу компонент). Органикалық емес сцинтилляторлар үшін активаторлық қоспалар әдетте шығарылатын жарық көрінетін спектрде немесе ультракөк түске жуық болады, онда фотокөбейтілгіштер тиімді жұмыс істейді. Фосфорлар көбінесе ауысу металдарының қосылыстары немесе әртүрлі сирек кездесетін жерлердің қосылыстары болып табылады. Органикалық емес фосфорларда кристалл құрылымындағы бұл біртектіліктер әдетте белсендіргіштер деп аталатын қоспалардың, допанттардың аздаған мөлшерін қосу арқылы жасалады. (Сирек жағдайларда дислокациялар немесе басқа кристалл ақаулары қоспаның рөлін атқара алады.) Шығарылым орталығынан шығатын толқын ұзындығы атомның өзіне және айналасындағы кристалл құрылысына байланысты.

Фосфор термометриясы

Фосфор термометриясы – белгілі бір фосфорлардың температураға тәуелділігін пайдаланатын температураны өлшеу әдісі. Осы үшін, қызығушылық тудыратын бетке фосфор жабыны жағылады, және әдетте, температураны көрсететін эмиссия параметрі – ыдырау уақыты болып табылады. Жарықтандыру және анықтау оптикасы қашықтықтан орналастырылуға болатындықтан, бұл әдіс жоғары жылдамдықты мотор беттері сияқты қозғалатын беттер үшін де қолданылуы мүмкін. Сондай-ақ, фосфорды оптикалық талшықтың ұшына терможұптың оптикалық аналогы ретінде жағуға болады.

Қараңғыда жарқырайтын ойыншықтар

Бұл қолданбаларда фосфор ойыншықтарды қалыптауға қолданылатын пластикке тікелей қосылады немесе бояу ретінде пайдалану үшін байланыстырғыш затпен араластырылады. ZnS:Cu фосфоры көбінесе Хэллоуин макияжы үшін қолданылатын, жарқырағыш косметикалық кремдерде қолданылады. Әдетте, фосфордың жарқырауының ұзақтығы толқын ұзындығының артуымен бірге ұзарады. Химиялық люминесценцияға негіделген жарқырағыш заттар үшін жарық таяқшаларын да қараңыз.

Қысқылтегін анықтау

Декстер энергиясының алмасуы нәтижесінде триплет күйін О2 (оның триплет негізгі күйі бар) сөндіру, фосфоресцентті ауыр металл кешендері мен қосылған полимерлердің ерітінділерінде жақсы белгілі. Соңғы жылдары фосфоресценциялық кеуекті материалдар (мысалы, металл-органикалық және коваленттік органикалық каркастар) оттегінің өте төмен жартылай қысымдағы газды сызықтық емес адсорбциясының арқасында үміткер оттегі сезімталдығын көрсетіп келеді.

Пошта маркалары

Фосфорлы жолақты маркалар 1959 жылы поштаны автоматтандырып сұрыптау машиналарына бағыт беру үшін пайда болды. Әлем бойынша жолақтың мөлшері әртүрлі келетін көптеген түрлері бар. Пошта маркаларын кейде олардың фосформен "белгіленгеніне" (немесе люминесцентті қағазға басылғанына) байланысты жинайды.

Радионуминесценция

Цинк сульфидті люминофорлар радиоактивті материалдармен қолданылады, онда люминофор альфа және бета-ыдырау изотоптарымен қоздырылып, сағаттар мен аспаптардың циферблаттарына (радийлі циферблаттар) люминесцентті бояу жасауға қолданылады. 1913 және 1950 жылдар аралығында радий-228 және радий-226, күміс қоспасы бар цинк сульфидінен (ZnS:Ag) жасалған люминофорды белсендіру үшін пайдаланылды, ол жасыл түсті жарқырауға ие болды. Люминофор 25 мг/см² қалыңдығынан артық қабаттарда қолдануға қолайлы емес, себебі жарықтың өзіндік сіңірілуі проблема тудырады. Бұдан бөлек, цинк сульфидінің кристалдық тор құрылымы бұзылып, радийдің азаюына қарағанда әлдеқайда жылдам жарықтығының жоғалуына алып келеді. ZnS:Ag жабылған спинтарископ экранын Эрнест Резерфорд атом ядросын ашу эксперименттерінде қолданған. Мыс қоспасы бар цинк сульфиді (ZnS:Cu) ең көп қолданылатын люминофор және көк-жасыл жарық шығарады. Мыс және магний қоспасы бар цинк сульфиді (ZnS:Cu,Mg) сары-қызғылт жарық шығарады. Тритий де тритийлік жарықтандыруды пайдаланатын түрлі өнімдерде сәулелену көзі ретінде қолданылады.

Электрлі люминесценция

Электролюминесценцияны жарық көздерінде қолдануға болады. Мұндай көздер әдетте үлкен аумақтан жарық шығарады, бұл оларды сұйық кристалды дисплейлердің (ЖКД) артқы жарықтандыруына ыңғайлы етеді. Фосфордың қоздырылуы көбінесе жоғары қарқынды электр өрісін қолдану арқылы жүзеге асырылады, әдетте тиісті жиілікпен. Қазіргі электролюминесцентті жарық көздері пайдалану барысында тозады, нәтижесінде олардың қызмет ету мерзімі салыстырмалы түрде қысқа болады. ZnS:Cu – 1936 жылы Жорж Дестрио Париждегі Мадам Мари Кюри зертханасында сынақтан өткізген және электролюминесценцияны сәтті көрсеткен алғашқы формула. Ұнтақ немесе айнымалы ток электролюминесценциясы түрлі артқы жарықтандыру және түнгі жарық қолданбаларында қолданылады. Бірнеше компания өз брендтік EL өнімдерін ұсынады (мысалы, кейбір Timex сағаттарында қолданылатын IndiGlo) немесе "Lighttape" – электролюминесцентті материалдың тағы бір саудалық атауы, ол электролюминесцентті жарық жолақтарында қолданылады. Аполлон ғарыш бағдарламасы көбінесе ЭЛ-ді артқы жарықтандыру және жарық беру үшін алғашқы маңызды қолдану ретінде танылады.

Ақ LED-тер

Ақ жарық шығаратын диодтар әдетте көк InGaN LED-тері болып табылады, олар тиісті материалмен қапталған. Церий (III) қосылған YAG (YAG:Ce3+, немесе Y3Al5O12:Ce3+) жиі қолданылады; ол көк LED-ден жарықты сіңіріп, жасылдан қызғылтқа дейінгі кең ауқымда шығарады, оның көп бөлігі сары түсті болады. Бұл сары сәуле қалған көк сәулемен бірігіп "ақ" жарық береді, оның түс температурасын жылы (сары) немесе суық (көк) ақ ретінде реттеуге болады. Ce3+:YAG-дің ашық сары сәулесін церийді тербиум және гадолиний сияқты басқа сирек жер элементтерімен алмастыру арқылы реттеуге болады, тіпті YAG-дегі алюминийдің бір бөлігін немесе барлығын галлиймен алмастыру арқылы одан әрі реттеуге болады. Дегенмен, бұл процесс фосфоресценция емес. Сары жарық сцинтилляция деп аталатын процесс арқылы жасалады, бұл процестің ерекшелігі – кейіннен жарқырамайтындығы. Сиалонның кейбір сирек кездесетін түрлері фотолюминесцентті және фосфор ретінде қолданылуы мүмкін. Еуропий (II) қосылған β-SiAlON ультракүлгін және көрінетін жарық спектрінде сіңіріп, кең спектрлі, қарқынды көрінетін жарық шығарады. Оның жарқырауы мен түсі температураға айтарлықтай өзгермейді, себебі оның кристалдық құрылымы температураға тұрақты. Ақ LED-тер үшін жасыл түске айналдыру фосфоры ретінде үлкен әлеуеті бар; сары түрі де бар (α SiAlON). Ақ LED-тер үшін көк LED сары фосформен немесе жасыл және сары SiAlON фосфорларымен, сондай-ақ CaAlSiN3 (CASN) негізіндегі қызыл фосформен қолданылады. Ақ LED-терді ультракүлгін сәуле шығаратын LED-ді жоғары тиімді европий негізіндегі қызыл және көк жарық шығаратын фосфорлармен, сондай-ақ жасыл жарық шығаратын мырыш сульфидіне (ZnS:Cu,Al) мыс және алюминий қосылған қоспасымен қаптау арқылы жасауға болады. Бұл флуоресцентті шамдардың жұмыс істеу принципіне ұқсас әдіс. Кейбір жаңа ақ LED-тер ақ түске жақындасу үшін сары және көк сәуле шығарушыларды қатар қосады; бұл технология Motorola телефондарында, мысалы Blackberry-де, сондай-ақ LED жарықтандыруда қолданылады. Алғашқы нұсқада GaN SiC-де InGaP-де үйіліп орналасқан сәуле шығарушылар қолданылды, бірақ кейін жоғары ток күшімен жұмыс істегенде сынғаны анықталды. Жалпы жарықтандыру жүйелерінде қолданылатын көптеген ақ LED-тер деректерді беру үшін де пайдаланылуы мүмкін, мысалы, LED-ті маяқ ретінде жұмыс істеуге бейімдеу арқылы. Ақ LED-терде Ce:YAG-тен басқа фосфорларды немесе жоғары CRI-ге қол жеткізу үшін екі немесе үш фосфорды қолдану да жиі кездеседі, көбінесе тиімділіктің төмендеуіне әкеледі. Қосымша фосфорлардың мысалдары: қаныққан қызыл түс беретін R9, қызыл түс беретін нитридтер және жасыл түс беретін лютеций алюминий гранаты сияқты алюминаттар. Силикатты фосфорлар жарқырауырақ, бірақ тез өшіп барады және ұялы құрылғылардағы LCD LED артқы жарықтарында қолданылады. LED фосфорларын тікелей кристалдың үстіне орналастыруға немесе күмбез пішіндес жасап, LED-тің үстіне қоюға болады: бұл тәсіл қашықтықтан фосфор деп аталады. Кейбір түсті LED-тер түсті LED-тің орнына көк LED-ті түсті фосформен қолданады, себебі мұндай құрылым түсті LED-ке қарағанда тиімдірек. Оксинитридті фосфорлар да LED-терде қолданылуы мүмкін. Фосфорларды жасау үшін қолданылатын прекурсорлар ауамен байланысқанда ыдырайды.

White light emitting diodes are usually blue InGaN LEDs with a coating of a suitable material. Cerium(III) doped YAG (YAG:Ce3+, or Y3Al5O12:Ce3+) is often used; it absorbs the light from the blue LED and emits in a broad range from greenish to reddish, with most of its output in yellow. This yellow emission combined with the remaining blue emission gives the "white" light, which can be adjusted to color temperature as warm (yellowish) or cold (bluish) white. The pale yellow emission of the Ce3+:YAG can be tuned by substituting the cerium with other rare earth elements such as terbium and gadolinium and can even be further adjusted by substituting some or all of the aluminium in the YAG with gallium. However, this process is not one of phosphorescence. The yellow light is produced by a process known as scintillation, the complete absence of an afterglow being one of the characteristics of the process. Some rare earth doped Sialons are photoluminescent and can serve as phosphors. Europium(II) doped β SiAlON absorbs in ultraviolet and visible light spectrum and emits intense broadband visible emission. Its luminance and color does not change significantly with temperature, due to the temperature stable crystal structure. It has a great potential as a green down conversion phosphor for white LEDs; a yellow variant also exists (α SiAlON). For white LEDs, a blue LED is used with a yellow phosphor, or with a green and yellow SiAlON phosphor and a red CaAlSiN3 based (CASN) phosphor. White LEDs can also be made by coating near ultraviolet emitting LEDs with a mixture of high efficiency europium based red and blue emitting phosphors plus green emitting copper and aluminium doped zinc sulfide |(ZnS:Cu,Al). This is a method analogous to the way fluorescent lamps work. Some newer white LEDs use a yellow and blue emitter in series, to approximate white; this technology is used in some Motorola phones such as the Blackberry as well as LED lighting and the original version stacked emitters by using GaN on SiC on InGaP but was later found to fracture at higher drive currents. Many white LEDs used in general lighting systems can be used for data transfer, as, for example, in systems that modulate the LED to act as a beacon. It is also common for white LEDs to use phosphors other than Ce:YAG, or to use two or three phosphors to achieve a higher CRI, often at the cost of efficiency. Examples of additional phosphors are R9, which produces a saturated red, nitrides which produce red, and aluminates such as lutetium aluminum garnet that produce green. Silicate phosphors are brighter but fade more quickly, and are used in LCD LED backlights in mobile devices. LED phosphors can be placed directly over the die or made into a dome and placed above the LED: this approach is known as a remote phosphor. Some colored LEDs, instead of using a colored LED, use a blue LED with a colored phosphor because such an arrangement is more efficient than a colored LED. Oxynitride phosphors can also be used in LEDs. The precursors used to make the phosphors may degrade when exposed to air.

Катодты сәулелі түтіктер

Катодты сәулелі түтіктер (әдетте) дөңгелек немесе төртбұрышты форматта сигналдан туындаған жарық үлгілерін шығарады. Көлемді КЭТ-тер 1950 жылдары танымал болған қара-ақ үй шаруалық теледидарларда (ТВ), сондай-ақ бірінші буын түтікке негізделген түсті теледидарларда және алғашқы компьютерлік мониторларда қолданылған. КЭТ-тер ғылыми және инженерлік құралдарда кеңінен қолданылған, мысалы, осциллографтар, әдетте бір фосфор түсімен, көбінесе жасыл. Мұндай қолданымдар үшін фосфорлар ұзақ қалқыну қасиетіне ие болуы мүмкін, бейне тұрақтылығын арттыру үшін. Фосфорлар жұқа пленка түрінде немесе дискретті бөлшектер түрінде, яғни бетке байланысты ұнтақ түрінде орналасуы мүмкін. Жұқа пленкалар ұзақ қызмет ету мерзіміне және жақсы ажыратымдылыққа ие, бірақ ұнтақ пленкаларға қарағанда аз жарқырап, тиімділігі төмен. Бұл жұқа пленкадағы көптеген ішкі шағылыстардың нәтижесінде болады, ол сәулеленген жарықты шашыратады. Ақ (қара-ақ): Цинк кадмий сульфиді мен күміс қосылған цинк сульфиді, ZnS:Ag + (Zn,Cd)S:Ag – қара-ақ теледидар КЭТ-терінде қолданылатын ақ P4 фосфоры. Сары және көк фосфордың қоспалары жиі кездеседі. Қызыл, жасыл және көк түсті қоспалар немесе бір ақ фосфор да кездесуі мүмкін. Қызыл: Еуропиймен белсендірілген иттрий оксид сульфиді түсті КЭТ-терде қызыл фосфор ретінде қолданылады. Түсті теледидарды дамыту қызыл фосфорды іздеуге көп уақыт кетті. 1964 жылы Левин мен Палилла алғашқы рет теледидардағы негізгі түс ретінде сирек кездесетін жер элементтерінен жасалған қызыл фосфорды шығарды – YVO4:Eu3+. Монокристалл түрінде ол тамаша поляризатор және лазерлік материал ретінде қолданылды. Сары: Кадмий сульфидімен араластырылғанда, алынған цинк кадмий сульфиді (Zn,Cd)S:Ag, күшті сары жарық береді. Жасыл: Мырыш сульфиді мен мыстың қоспасы, P31 фосфоры немесе ZnS:Cu, 531 нм толқындағы ұзақ жарқырауы бар жасыл жарық береді. Көк: Аз мөлшерде күміс қосылған мырыш сульфиді, ZnS:Ag, электрондармен қозғанда, 450 нм толқындағы максималды жарқырауымен күшті көк жарық береді, 200 наносекундтық қысқа қалқынумен. Ол P22B фосфоры деп аталады. Бұл материал, мырыш сульфиді күміс, әлі де катодты сәулелі түтіктердегі ең тиімді фосфорлардың бірі болып табылады. Ол түсті КЭТ-терде көк фосфор ретінде қолданылады. Фосфорлар әдетте нашар электр өткізгіштері болып табылады. Бұл экран бетінде қалдық зарядтың жиналуына әкелуі мүмкін, бұл соқтығысқан электрондардың энергиясын электростатикалық тебілуден ( "жабысу" әсері деп аталады) тиімді түрде азайтады. Бұл құбылысты жою үшін фосфорлардың үстіне, әдетте вакуумдық булану арқылы алюминийдің жұқа қабаты (шамамен 100 нм) жабылады және түтік ішіндегі өткізгіш қабатқа қосылады. Бұл қабат сонымен қатар фосфор жарығын қажетті бағытта шағылыстырады және фосфорды вакуумның жетілмеуінен туындайтын иондық бомбалаудан қорғайды. Қоршаған ортаның жарығынан туындайтын кескіннің нашарлауын азайту үшін контрастты бірнеше әдіспен арттыруға болады. Түсті экрандардағы фосфор бөлшектері экранның пайдаланылмаған бөліктерін қара бояумен жабудан басқа, сәйкес түсті пигменттермен қапталады. Мысалы, қызыл фосфорлар темір оксидімен қапталады (кадмийдің уыттылығына байланысты бұрынғы Cd(S,Se) орнын басады), көк фосфорлар теңіз көк (CoO·n) немесе ультрамаринмен қапталуы мүмкін. ZnS:Cu негізіндегі жасыл фосфорлар өздерінің сары түсіне байланысты қаптауды қажет етпейді.

Cathode ray tubes produce signal generated light patterns in a (typically) round or rectangular format. Bulky CRTs were used in the black and white household television (TV) sets that became popular in the 1950s, as well as first generation, tube based color TVs, and most earlier computer monitors. CRTs have also been widely used in scientific and engineering instrumentation, such as oscilloscopes, usually with a single phosphor color, typically green. Phosphors for such applications may have long afterglow, for increased image persistence. The phosphors can be deposited as either thin film, or as discrete particles, a powder bound to the surface. Thin films have better lifetime and better resolution, but provide less bright and less efficient image than powder ones. This is caused by multiple internal reflections in the thin film, scattering the emitted light. White (in black and white): The mix of zinc cadmium sulfide and zinc sulfide silver, the |ZnS:Ag + (Zn,Cd)S:Ag is the white P4 phosphor used in black and white television CRTs. Mixes of yellow and blue phosphors are usual. Mixes of red, green and blue, or a single white phosphor, can also be encountered. Red: Yttrium oxide sulfide activated with europium is used as the red phosphor in color CRTs. The development of color TV took a long time due to the search for a red phosphor. The first red emitting rare earth phosphor, YVO4:Eu3+, was introduced by Levine and Palilla as a primary color in television in 1964. In single crystal form, it was used as an excellent polarizer and laser material. Yellow: When mixed with cadmium sulfide, the resulting zinc cadmium sulfide |(Zn,Cd)S:Ag, provides strong yellow light. Green: Combination of zinc sulfide with copper, the P31 phosphor or |ZnS:Cu, provides green light peaking at 531 nm, with long glow. Blue: Combination of zinc sulfide with few ppm of silver, the ZnS:Ag, when excited by electrons, provides strong blue glow with maximum at 450 nm, with short afterglow with 200 nanosecond duration. It is known as the P22B phosphor. This material, zinc sulfide silver, is still one of the most efficient phosphors in cathode ray tubes. It is used as a blue phosphor in color CRTs. The phosphors are usually poor electrical conductors. This may lead to deposition of residual charge on the screen, effectively decreasing the energy of the impacting electrons due to electrostatic repulsion (an effect known as "sticking"). To eliminate this, a thin layer of aluminium (about 100 nm) is deposited over the phosphors, usually by vacuum evaporation, and connected to the conductive layer inside the tube. This layer also reflects the phosphor light to the desired direction, and protects the phosphor from ion bombardment resulting from an imperfect vacuum. To reduce the image degradation by reflection of ambient light, contrast can be increased by several methods. In addition to black masking of unused areas of screen, the phosphor particles in color screens are coated with pigments of matching color. For example, the red phosphors are coated with ferric oxide (replacing earlier Cd(S,Se) due to cadmium toxicity), blue phosphors can be coated with marine blue (CoO·n) or ultramarine Green phosphors based on ZnS:Cu do not have to be coated due to their own yellowish color.

Қара-ақ телевизия CRT

Қара-ақ телевизор экрандары ақ түске жақын сәуле шығаруды қажет етеді. Әдетте, фосфорлардың қоспасы қолданылады. Ең көп таралған комбинация – ZnS:Ag + (Zn,Cd)S:Cu,Al (көк + сары). Басқалары – ZnS:Ag + (Zn,Cd)S:Ag (көк + сары) және ZnS:Ag + ZnS:Cu,Al + Y2O2S:Eu(3+) (көк + жасыл + қызыл – құрамында кадмий жоқ және тиімділігі төмен). Түс тоны компоненттердің арақатынасымен реттелуі мүмкін. Құрамында әртүрлі фосфордың дискретті түйіршіктері болғандықтан, олар толығымен тегіс емес кескінді шығарады. Бір ғана ақ сәуле шығаратын фосфор, (Zn,Cd)S:Ag,Au,Al, бұл қиындықтан аспап. Төмен тиімділігіне байланысты, ол тек өте кішкентай экрандарда ғана қолданылады. Экрандар әдетте тұндыру әдісі арқылы фосформен жабылады, онда ерітіндідегі суспензияланған бөлшектер бетке тұнады.