光致发光

光致发光是任何形式的物质在吸收光子（电磁辐射）后发出的光。 它是多种发光形式（光发射）中的一种，由光激发（即光子将原子中的电子激发到更高能级的光子）引发，因此前缀为 photo-。 激发后，通常会发生各种弛豫过程，其中会重新辐射其他光子。 吸收和发射之间的时间周期可能会有所不同：从涉及无机半导体中自由载流子等离子体的短飞秒发射到分子系统中磷光过程的毫秒； 在特殊情况下，发射延迟甚至可能长达数分钟或数小时。

在特定能量下观察到的光致发光可以被视为表明电子占据了与该跃迁能量相关的激发态。

虽然这在原子和类似系统中通常是正确的，但相关性和其他更复杂的现象也在半导体等多体系统中充当光致发光的来源。 半导体发光方程给出了处理此问题的理论方法。

光致发光过程可以根据各种参数进行分类，例如激发光子相对于发射的能量。共振激发描述了特定波长的光子被吸收并且等效光子被非常迅速地重新发射的情况。 这通常被称为共振荧光。 对于溶液或气相中的材料，此过程涉及电子，但不涉及化学物质在吸收和发射之间的分子特征的显着内部能量跃迁。 在形成电子能带结构的结晶无机半导体中，二次发射可能更复杂，因为事件可能包含相干贡献，例如共振瑞利散射，其中与驱动光场保持固定相位关系（即没有损失的能量弹性过程 涉及）和非相干贡献（或一些能量通道进入辅助损失模式的非弹性模式），

后者起源于例如激子的辐射复合、固体中的库仑束缚电子-空穴对态。 共振荧光也可能显示出显着的量子光学相关性。

当物质在从吸收事件中重新发射能量之前经历内部能量跃迁时，可能会发生更多过程。 电子通过吸收光子共振获得能量或通过发射光子损失能量来改变能态。 在与化学相关的学科中，人们经常区分荧光和磷光。 前者通常是一个快速过程，但会耗散一些原始能量，因此重新发射的光子的能量将低于吸收的激发光子的能量。 在这种情况下，重新发射的光子被称为红移，指的是它在这种损失后携带的能量减少。 对于磷光，吸收光子的电子经历系统间交叉，在那里它们进入自旋多重性改变的状态，通常是三重态。 一旦被激发的电子转移到这个三重态，电子跃迁（弛豫）回到较低的单重态能量在量子力学上是被禁止的，这意味着它发生的速度比其他跃迁慢得多。 结果是辐射跃迁回到单线态的缓慢过程，有时会持续几分钟或几小时。 这是夜光物质的基础。

光致发光是测量 GaN 和 InP 等半导体的纯度和晶体质量以及量化系统中存在的无序量的重要技术。

时间分辨光致发光 (TRPL) 是一种用光脉冲激发样品，然后测量光致发光随时间衰减的方法。 该技术可用于测量 III-V 族半导体（如砷化镓 (GaAs)）的少数载流子寿命。

在典型的 PL 实验中，半导体被光源激发，光源提供的光子能量大于带隙能量。入射光激发偏振，可以用半导体 Bloch 方程描述。 一旦光子被吸收，电子和空穴就会在导带和价带中分别以有限的动量 k 形成。 然后，激发经历能量和动量向带隙最小值的弛豫。 典型的机制是库仑散射和与声子的相互作用。 最后，电子在光子发射下与空穴复合。