1 Luminescencja w materiałach nieorganicznych Wykład monograficzny AJ Wojtowicz Instytut Fizyki UMK Zakład Optoelektroniki Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

2 Donor, akceptor, centrum luminescencji i centrum rekombinacjiWYKŁAD 1 PLAN Elektron w sieci krystalicznej, poziomy i pasma energetyczne. Aktywator w sieci krystalicznej (matrycy); podstawowe rozważania Donor, akceptor, centrum luminescencji i centrum rekombinacji Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

3 Stany elektronowe w krysztale jednowymiarowymb – stała sieci (odległość między atomami) Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

4 Cn: amplituda prawdopodobieństwa znalezienia elektronu na n-tym atomieiA/ħ: prędkość przejścia elektronu z jednego atomu na sąsiedni (1/s) Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

5 Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficznyJeśli A = 0 Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

6 jednowymiarowa fala płaskaJakie będą rozwiązania równania dla sieci jednowymiarowej jeśli A ≠ 0 ?? jednowymiarowa fala płaska Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

7 Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficznyRównanie na amplitudy w modelu jednowymiarowej sieci, a równanie Schrődingera dla elektronów swobodnych Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

8 Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficznyDuże A, szerokie pasmo i mała masa efektywna Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

9 Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficznydla małych k: Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

10 Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficznyE, energia elektronu k, wektor falowy Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

11 Masa efektywna elektronów i dziurW ten sposób z każdego poziomu energetycznego w atomie tworzą się pasma; szerokie puste pasmo przewodnictwa węższe pełne pasmo walencyjne bardzo wąskie pełne pasma rdzeniowe Odwrócone pasma pełne (walencyjne vb) (zero energii dla pustego cb i pełnego vb) Masa efektywna elektronów i dziur Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

12 Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficznyKLUCZOWY PROBLEM: Jak leżą względem pasm przewodnictwa i walencyjnego matrycy poziomy elektronowe (podstawowy i wzbudzone) aktywatora dla stabilnych lub quasi-stabilnych stanów ładunkowych aktywatora Np. dla kationu 3+ Ważne stany ładunkowe aktywatora to 2+, 3+ i 4+ ważne stany elektronowe; podstawowy i pierwszy wzbudzony Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

13 Struktura pasmowa BaF2 w przybliżeniu jonowympuste stany Ba1+ tworzą pasmo cb zapełnione stany F1- tworzą pasmo vb poziomy rdzeniowe Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

14 Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficznyStruktura pasmowa Y2O3 Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

15 Struktura pasmowa kryształuAndrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

16 Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficznyPasma w krysztale jonowym; poszerzenie poziomów w pasma (nakładanie się funkcji falowych; prawdopodobieństwo przejścia elektronu z jonu na jon: parametr A) Lokalizacja, obniżenie energii elektronu wskutek oddziaływań kulombowskich, polaryzowanie matrycy Wiązania kowalencyjne; silniejsze rozmycie prawdopodobieństwa, ekranowanie oddziaływań kulombowskich (maleje przerwa energii wzbronionych, maleje energia lokalizacji – półprzewodniki) Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

17 Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficznyIzolatory: wiązanie jonowe, duża przerwa energii wzbr., silna lokalizacja nośników ładunku Półprzewodniki: wiązanie kowalencyjne (najlepiej w materiale jednoskładnikowym np. Si, czy Ge), mała przerwa energii wzbr., słaba lokalizacja nośników ładunku Efekt nefelauksetyczny: przesunięcie pasma absorpcji spowodowane zmianami charakteru wiązania od jonowego do kowalencyjnego Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

18 TRÓJKĄT BLASSEGO dla Bi3+izolowany jon Cs2NaBiCl6 Delokalizacja parametr A Lokalizacja energia ER ciało stałe półprzewodnik Cs3Bi2Br9 izolator Bi4Ge3O12 Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

19 Struktura pasmowa kryształu z aktywatoremAndrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

20 PROSTY DONOR i AKCEPTORNajniższy stan pełny aktywatora, gdy kation jest 3+, będzie odpowiadał stanowi podstawowemu aktywatora w stanie ładunkowym 3+; jeśli ten stan leży wysoko (w pasmie przewodnictwa) to aktywator jest donorem Najniższy stan pusty aktywatora, gdy kation jest 3+, będzie odpowiadał stanowi podstawowemu aktywatora w stanie ładunkowym 2+; jeśłi ten stan leży nisko (w pasmie walencyjnym) to aktywator jest akceptorem Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

21 Struktura pasmowa kryształu z aktywatoremdomieszka izoelektronowa ze strukturą elektronową Układ poziomów dla aktywatora „podobnego” do kationu (z wyjątkiem istnienia stanu wzbudzonego) Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

22 Struktura pasmowa kryształu z aktywatoremDobry luminofor, złe centrum rekombinacji (OK dla lasera, fosforu (?), zły scyntylator i fosfor X) aktywator nie może schwytać elektronu ani dziury Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

23 Aktywator w krysztale może być:Centrum luminescencji (musi istnieć „stan wzbudzony” aktywatora) Centrum rekombinacji (odpowiednie położenie stanu „podstawowego” i „pustego” względem pasm cb i vb) Donor, akceptor (odpowiednie położenie … plus brak „stanu wzbudzonego”) Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

24 Struktura pasmowa kryształu z aktywatoremzły luminofor, złe centrum rekombinacji aktywator nie może schwytać ani elektronu ani dziury Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

25 Struktura pasmowa kryształu z aktywatoremDobry luminofor, dobre centrum rekombinacji aktywator może schwytać dziurę Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

26 Struktura pasmowa kryształu z aktywatoremDobry luminofor, dobre centrum rekombinacji aktywator może schwytać elektron Może być emisja aktywatora, lub emisja CT na aktywatorze ABSORPCJA CT Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny