离子发光

离子体发光主要是气体的电子得到足够的能量(大于气体的离化能)之后，可以完全脱离原子，即被电离。这种电子比在固体中自由得多，它具有较大的动能，以较高的速度在气体中飞行，而且电子在运动过程中与其他粒子会产生碰撞，使更多的中性粒子电离。在大量的中性粒子不断电离的同时，还有一个与电离相反的过程，就是复合现象。所谓复合就是两种带电的粒子结合形成中性原子。在复合过程中，电子将能量以光的形式放出来，这种现象就称之为离子发光。

等离子发光基本原理等离子实际就是一种自由电子，是自由离子和原子的组合形态，茫茫宇宙中处处充斥等离子，它占可见物质的99%以上，不可见物质几乎都是等离子。施加一定的能量使得电子从原子中逸出，能量可以是热能、电能或光能，如果失去足够的维持能量，等离子就会重新复合成中性的气体。

单色PDP是利用气体产生放电（形成等离子体）而直接发射可见光来实现显示的，其显示颜色一般为放电气体的特征色，如橙色。彩色PDP类似于荧灯光原理，它利用气体放电产生紫外光，紫外光照射在荧光粉上，使荧光粉发光，形成光栅，使用三基色荧光粉就可以实现多色或全色显示。但是，无论是单色PDP还是彩色PDP，其主要工作原理都是基于惰性气体在一定电压作用下的气体放电现象。Ne原子的电离反应。由于受外部条件或引火单元激发，气体内部已存少量的带电粒子，其中，电子被极间电场加速并达到一定动能时碰到Ne原子，使其电离导致自由电子增殖，如此继续，形成电离雪崩效应。在Ne气体中加入极少量Ar气体是利用Ne和Ar之间的一种电离反应来提高混合气体的电离截面，以加速电离雪崩进程。伴随这种气体电离雪崩过程，电子加速后与Ne原子碰撞也会使Ne被激发至更高能级但又不稳定的激发态Ne，这种激发态的跃迁就产生显示所需的可见光，辐射峰值波长为585. 2nm，所以单色的显示色一般为Ne气体的特征色，即橙红色。

对彩色PDP而言，常用的放电气体为Ne - Xe或He - Xe混合气体，其放电过程与上面所述的Ne- Ar混合气体相似，只是在伴随气体的电离雪崩过程中，电子被加速后也会与Xe离子碰撞形成Xe的激发态，这种激发态最终跃迁至Xe的基态时，也就产生了147nm波长的真空紫外线，以此激发荧光粉产生出三基色可见光，从而显示彩色图像。在PDP中，气体放电一般工作在伏安特性曲线的正常辉光区，因为该区放电稳定，功耗较低。为达到稳定放电，避免进入大电流的弧光放电区而烧坏显示器件，对PDP中的放电电流必须进行一定的限制。目前，实用的限流技术有两种，即电阻限流技术和电容限流技术。利用电阻限流技术形成直流型等离子体显示技术( DC - PDP)；利用电容限流技术则形成交流型等离子体显示技术( AC - PDP)。前者，放电气体与电极直接接触，电极外部串联电阻，作限流之用，发光位于阴极表面，且与电压波形一致的连续发光。后者，放电气体与电极由透明介质层相隔离，隔离层为串联电容，作限流之用，放电因受该电容的隔直作用需用交流脉冲电压驱动，因此无固定阴极和阳极之分，发光位于两电极表面，为交替脉冲式发光。此外，另有一类称作AC/DC混合型PDP技术，其本质只是利用AC放电作引火的DC - PDP或利用DC放电作选址的AC - PDP。彩色PDP技术按工作方式不同也分为AC型和DC型两大类，但无论是何种方式和结构，彩色PDP都是由数十万至数百万个气体放电单元组成，如图8-1所示，这些放电单元是在两块玻璃基板之间用许多障壁将放电空间分隔而成，每个显示单元都设有一组电极，并按一定排列形式涂敷有红(R)、绿(G)、蓝(B)荧光粉，放电单元内充人一定压力的惰性气体。当在被选单元的电极上加上一定电压时，其中的气体即产生放电，放电时所发射的紫外光激发该单元的荧光粉发光，按一定方式进行控制，完成三基色的空间混色，即可实现彩色显示。彩色PDP技术达到实用化产品的主要有3种类型，即表面放电式AC - PDP、对向放电式AC - PDP、脉冲存储式DC - PDP，其中表面放电式AC - PDP是目前彩色PDP研究开发及批量生产的主流技术。1

等离子体具有以下特征(1)气体高度电离 在极限情况时，所有中性粒子都被电离了。

(2)具有很大的带电粒子浓度，一-般为1010~1015个/cm2。由于带正电与带负电的粒子浓度接近相等，等离子体具有良导体的特性。

(3)等离子体具有电振荡的特性 在带电粒子穿过等离子体时，能够产生等离子激元，等离子激元的能量是量子化的。

(4)等离子体具有加热气体的特性 在高气压收缩等离子体内，气体可被加热到数万度。

(5)在稳定情况下，气体放电等离子体中的电场相当弱，并且电子与气体原子进行着频繁的碰撞，因此气体在等离子体中的运动可看作是热运动。

稀土离子发光原理稀土元素具有独特的电、光、磁、热性能，因此备受国内外科学家的关注，稀土功能材料也成为了材料领域的研究热点。在稀土功能材料中，稀土发光材料十分引人注目。随着有关稀土发光基础理论研究的不断深入，稀土发光材料的研究和应用得到了长足发展。稀土发光材料有许多优点：具有丰富的能级，可以发射从紫外光到红外光的光谱，尤其在可见光区有很强的发射能力；具有较长的能级寿命，可达到毫秒；物理化学性能稳定，能承受大功率的电子束、高能射线及强紫外光作用。近年来，稀土发光材料已经广泛应用于激光器、照明、色彩显示、生物医疗等领域，并逐渐向其他高技术领域扩展。

发光是物质将通过某种方式所吸收的能量转化为光辐射的过程，是热辐射之外的另一种辐射。发光材料是指能够把从外界吸收的各种形式的能量转换为非平衡辐射的功能材料。自古以来，人类就热爱光明，厌恶黑暗，希望能随意地控制光。通过人们不断的努力，至今已开发出很多实用的发光材料。在这些发光材料中，稀土起的作用远远超过其他元素，下面我们来介绍一下稀土元素的发光原理。

Stokes发光与Anti - Stokes发光如图所示，处于基态的离子吸收一个短波长的光子从基态跃迁到激发态，通过无辐射弛豫到较低的激发态，然后通过辐射跃迁回到基态，同时发出一个低能量的长波辐射，这个过程称为Stokes发光；相反地，基态离子通过吸收两个或者多个低能量光子而发射出高能量短波辐射的过程称为上转换( Upconversion)发光。上转换发光材料( Upconversion Materials)是指在吸收长波辐射激发后，可以发射出比激发光源波长短的辐射的发光材料。上转换发光现象违反了Stokes定律，也称为Anti - Stokes发光，上转换发光过程比Stokes发光复杂得多。2

上转换发光机制1966年法国科学家奥泽尔在材料中发现发射光子的能量大于吸收光子的能量，这是首次发现的上转换发光现象。之后人们展开了对上转换发光的研究。与Stokes发光相比，上转换发光的机制要复杂一些。Auzel认为上转换发光过程可以归结为如下六个过程：能量传递上转换发光( ETU)、激发态吸收(ESA)、合作敏化上转换、合作发光、双光子吸收激发( TPAE)和光子雪崩效应(PA)。

1、能量传递上转换发光( Energy Transfer Upconversion，ETU)

处于激发态的施主离子把吸收的能量无辐射地传递给受主离子，使其跃迁到巾间激发态。在回到基态之前，另一个处于激发态的受激离子又将能量传递给该受主离子，使受主离子跃迁到发射能级，然后以一个高能量的短波光子跃迁到基态。ETU过程是掺杂离子之间的相互作用，因此强烈依赖于掺杂离子的浓度。离子的浓度必须达到足够高才能保证能量传递的发生。

2、激发态吸收过程( Excited State Absorption，ESA)

受主离子吸收一个光子而被激发到激发态，在从激发能级返回到基态之前，再吸收一个光子，而被激发到更高的能级，然后向下辐射跃迁到基态实现上转换发光。ESA为单个离子的吸收，不依赖于掺杂离子的浓度。

3、合作敏化上转换( Cooperative Sensitization Upconversion)

两个处于激发态的施主离子同时把能量传递给受主离子而跃迁回基态。与ETU相比，此过程不需要中间激发态。

4、合作发光( Cooperative Luminescence)

两个处于激发态的离子同时回到基态，发射出能量等于两个离子释放能量之和的一个光子。此过程中没有真正的发射能级，这是与ETU和合作敏化上转换的主要区别

5、双光子吸收激发（Two Fhocon Absorption Excilacion，TI AE）

受主离子同时吸收两个光子被激发到激发态。此过程与ESA的区别是不需要中间激发态。

6、光子雪崩( Photon Avalanche，PA)

光子雪崩上转换过程比较复杂，泵浦波长与激活离子的基态的吸收波长之差较大，而与某一激发态与其向上能级的能量差相匹配。此过程中激活离子之间存在较大的交叉弛豫速率，且建立雪崩需要一定的时间。2

等离子体发光材料等离子体发光材料主要是愉性气体。等离子显示中用的是以氖气为基质，另外掺一-些其他气体，如氦气、氩气等。这些气体主要发橙红色光。如果掺加一些氙气则可以发出紫外光，在放电管的近旁涂上发光粉后，便能实现彩色显示。例如：采用80.9%He+ 11.1%Ar+6.3Xe+ 1.7% Ne的混合气体,，到约为过去常用的Ne+0.2%Xe混合物发光强度的四倍，以上两种气体的混合物的发光最强的谱线值于147nm，实现了情性气体的真空紫外辐射。又如：用Y2O3：Eu、Zn2SiO4：Mn和Y2SiO3：Ce做成的彩色自扫描等离子显示板，使用气压为2.7x104Pa的He+2%Xe混合气体,显示板实现了彩色电视图像显示。

等离子体发光显示具有高亮度高对比度、能随机书写与擦除，长寿命、无视角、配计算机时有优秀的互相作用能力等优点，因而发展速度很快。作为信息处理终端装置的显示板已开始普及作为挂壁电视，也表现较好的性能。另外，等离子发光材料还可用于照明如氖灯、氙灯等。除上述发光材料外，热致发光材料发现和使用最早，目前常用的材料如钨丝，主要用于白炽灯中，但是随着对光源亮度、 发光效率、颜色等各种性能要求的不断提高，钨丝等热致发光材料逐渐为电致发光材料、光致发光材料射线致发光材料和等离子发光材料所取代。随着信息显示技术的发展，各种新型的发光材料正在不断地出现。33

本词条内容贡献者为:

张静 - 副教授 - 西南大学