Введение.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

Кафедра «Физика-2»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

по дисциплине «Физика»

Работы 39, 45, 54, 56, 59

МОСКВА - 2007

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

Кафедра «Физика-2»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

по дисциплине «Физика»

Работы 39, 45, 54, 56, 59

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний для студентов специальностей

ИУИТ, ИСУТЭ, ИЭФ, ИТТОП, вечернего факультета

МОСКВА - 2007

УДК 57: 53

П-21

В.Г. Колотилова (работа 59), С.В. Мухин (работа 54), А.В. Пауткина (работы 39, 45), И.В. Пыканов (работа 56). Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Физика» - М.: МИИТ, 2007. - 83 с.

Методические указания к лабораторным работам № 39, 45, 54, 56, 59 соответствуют программе и учебным планам по курсу общей физики, дисциплине «Курс общей физики» и предназначены для всех специальностей институтов ИУИТ, ИСУТЭ, ИЭФ, ИТТОП, Вечерний.

© Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), 2007

Работа 39

ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК

ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

Цель работы: изучение вольт-яркостных и частотно-яркостных зависимостей электролюминесцентных излучателей (ЭЛИ), изготовленных на основе порошковых электролюминофоров с разными цветами свечения.

Приборы и принадлежности: Электролюминесцентные излучатели, изготовленные на основе порошковых электролюминофоров с разными цветами свечения; генератор синусоидальных сигналов, служащий источником возбуждающего напряжения; вольтметр; фотодиод; микроамперметр; соединительные провода.

Введение

Давно замеченное " холодное свечение" - свечение микроорганизмов в море и на суше (планктон, светлячки, гнилушки в лесу), свечение некоторых минералов, свечение фосфорсодержащих красок - было количественно описано лишь в 20-х, 30-х годах нашего века. Крупный вклад в изучение этого явления, получившего название люминесценции, внес Сергей Иванович Вавилов, советский физик, описавший основные закономерности люминесценции, возникающей, в частности, при взаимодействии света с люминофором. В последнее время в связи с исследованием новых веществ были открыты и новые механизмы люминесценции, однако определение люминесценции, данное Вавиловым, подчеркивает основную особенность этого явления – это излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела:

«Люминесценцией тела в данной спектральной области называется избыток излучения над температурным при условии, что это избыточное излучение обладает конечной длительностью, значительно превышающей период световых колебаний».

Первая часть определения люминесценции отделяет ее от теплового равновесного излучения и указывает на то, что понятие люминесценция применимо только к совокупности атомов (молекул), находящихся в состоянии, близком к равновесному. При сильном отклонении от равновесного состояния говорить о тепловом излучении или люминесценции не имеет смысла. В видимой области спектра тепловое излучение становится заметным только при температурах порядка К, люминесцировать же в этой области тело может при любой температуре, поэтому люминесценцию иногда называют холодным свечением.

Вторая часть определения – признак длительности – была введена С.И. Вавиловым, чтобы отделить люминесценцию от различных видов рассеяния, отражения, параметрических преобразований света, тормозного излучения и излучения Вавилова-Черенкова.

Можно различать виды люминесценции по способу возбуждения: электролюминесценция, возникающая при электрическом возбуждении (люминофор получает энергию от электрического поля); фотолюминесценция - возбуждение светом (люминофор поглощает кванты света и преобразует их энергию в люминесцентное излучение); если речь идет о возбуждении люминофора светом с достаточно короткими длинами волн ( м), волнами рентгеновского диапазона, то это рентгенолюминесценция; хемилюминесценция, при которой люминофор получает энергию химических реакций; если люминофор получает энергию химических реакций веществ органического происхождения, то явление носит название биолюминесценции (биолюминесценция сопровождает, например, процессы гниения); свечение люминофора под действием потока заряженных частиц носит название катодолюминесценции (свечение экрана осциллографа или телевизора); выделяют также триболюминесценцию - люминесцентное вещество поглощает энергию, выделяющуюся при трении.

Для более подробного объяснения механизма люминесценции удобно пользоваться энергетической зонной диаграммой кристалла, представляющей собой энергетический спектр электрона в твердом теле. При описании процессов, происходящих в люминофоре (являющимся полупроводником или диэлектриком), достаточно ограничиться рассмотрением трех энергетических зон: на рисунке 1 это: зона проводимости (ЗП), при комнатных температурах практически незаполненная электронами; валентная зона (ВЗ), заполненная электронами практически полностью; запрещенная зона (ЗЗ), в которой расположены лишь отдельные разрешенные энергетические уровни, причиной появления которых могут быть примеси или собственные дефекты кристаллической решетки люминофора. Часть этих локальных уровней также может быть заполнена электронами.

Стрелками на рисунке 1 показаны возможные переходы электронов, происходящие при поглощении люминофором энергии (1, 2, 3, 7) и возможные переходы электронов, происходящие при их последующей рекомбинации (4, 5, 6, 8). Переходы 1, 4 соответствуют ионизации (1) атома решетки кристалла, энергетические уровни которого находятся в ВЗ, и последующей рекомбинации (4). Переходы 2, 5 - ионизация (2) и рекомбинация (5) на уровнях примесей, дефектов решетки, расположенных в ЗЗ. Переходы 3, 6 означают, что электрон переходит на вышележащий энергетический уровень (3), причем и основное и возбужденное состояние соответствуют уровням, лежащим в ЗЗ, а затем переходит обратно (6) с излучением фотона. Люминесценция, сопровождающая переходы 4, 5 называется рекомбинационной; свечение, возникающее в результате перехода 6, называется внутрицентровой люминесценцией (оба уровня, и основной, и возбужденный, принадлежат одному центру свечения). Более подробное рассмотрение совокупности возможных переходов приведено в работах [2 – 6, 8] из списка литературы.

В ЗЗ любого кристаллофосфора присутствуют уровни, рекомбинация на которых происходит как с испусканием кванта света (излучательная рекомбинация), так и без испускания кванта света (безызлучательная рекомбинация). В последнем случае вся выделяющаяся энергия превращается в энергию колебаний атомов кристалла. Преобразование поглощенной энергии в световую при люминесценции может происходить с относительно большим КПД Например, обычные люминесцентные лампы, используемые для освещения помещений, имеют КПД 20%, тогда как лампы накаливания имеют КПД всего несколько процентов. Поглощение энергии химических реакций позволяет иногда получать свечение с еще большим КПД: в организме светлячка химическая энергия переходит в световую с КПД примерно в 4-5 раз большим, чем для люминесцентных ламп. Немного меньше КПД (порядка нескольких десятков процентов) в приборах, работа которых основана на электролюминесценции (инжекционная люминесценция p-n -перехода).

Рассмотрим подробнее механизм электролюминесценции. Существует несколько типов процессов, приводящих к появлению люминесценции в электрическом поле. Во всех случаях наличие электрического поля приводит или к появлению возбужденных состояний отдельных атомов (центров свечения) или к появлению дополнительных неравновесных носителей заряда в зонах разрешенных энергий.

Свечение может возникнуть из-за увеличения потенциальной энергии электронов и дырок, уже существующих в кристалле, вследствие наложения электрического поля, приводящего к уменьшению потенциального барьера, разделяющего электроны и дырки. В этом случае создаются дополнительные условия для их рекомбинации. Это происходит, например, в p-n - переходе, включенном в прямом направлении. Наложение внешнего электрического поля приводит к дополнительной диффузии носителей в область перехода и прилегающие к нему области и к возможности дополнительной рекомбинации носителей противоположного знака (электронов и дырок). Чаще всего рекомбинация происходит в одной из областей кристалла, в которую подобным образом вводятся (" инжектируются") неравновесные носители.

Если p-n -переход включить в обратном направлении, то в области перехода создается поле высокой напряженности. Если напряженность поля составляет , то в переходе могут развиваться процессы ударной ионизации атомов решетки или центров свечения ускоренными электронами.

Возбуждение атома быстрым электроном требует, чтобы в области сильного поля, где происходит ускорение электронов, были эти электроны. Они либо вводятся в область сильного поля, либо содержатся в ней на примесных уровнях и могут освобождаться теплом и полем. Введение носителей в область сильного поля возможно либо тепловым, либо туннельным путем.

В наиболее широко используемых люминофорах на основе сульфида цинка возбуждение люминесценции происходит вследствие ударного возбуждения.

Вещество, способное светиться в поле, должно иметь повышенную концентрацию примесей, создающих вкрапления, в области контакта которых с сульфидом цинка и создаются условия для концентрации электрического поля. Как правило, для цинксульфидных люминофоров это вкрапления сульфида меди.

Возможно также создание сильного поля и в зернах порошкового люминофора, распределенного в диэлектрике, а также в приготовленных по специальным технологиям тонких пленках люминофора (например, технология послойной атомной эпитаксии).

Конструкция электролюминесцентного излучателя (ЭЛИ) показана на рисунке 2.

Электродами служат металлическая пластинка (как в случае исследуемых излучателей) или напыленный на стекло непрозрачный

Для нанесения люминофорно-диэлектрического слоя обычно смешивают порошковый люминофор с такими диэлектриками как лак (например, ВС-530), смола (например, ЭП-096) или легкоплавкое стекло. Толщина светящегося слоя (люминофор в смеси с диэлектриком) составляет обычно 30-50 мкм. Светящийся слой дополнительно изолирован от электродов тонкими ( мкм) слоями диэлектрика, служащими нескольким целям: в случае тонкопленочных ЭЛИ на границе люминофор - диэлектрик находится достаточное количество энергетических состояний, содержащих электроны, которые затем туннельным путем, попадая в слой люминофора и имея достаточно высокие энергии, инициируют ударные процессы в кристаллофосфоре. Дополнительный слой диэлектрика между электродом и люминофорно-диэлектрическим слоем позволяет предотвратить возможные электрические пробои при больших напряжениях. Для порошковых ЭЛИ в конструкцию вводят лишь один дополнительный диэлектрический слой, в который, как правило, добавляют светоотражающие порошки и таким образом этот слой является отражающе-изолирующим, что приводит к дополнительному увеличению яркости свечения ЭЛИ. В случае исследуемых ЭЛИ дополнительных изолирующих слоев не наносилось, поскольку был использован диэлектрик в виде легкоплавкого стекла, обладающий достаточно высоким напряжением пробоя, а величины яркостей достаточны для исследовательских целей. На рисунке 2 это слои (4). На электроды (2) подается переменное напряжение.

Если между двумя электродами поместить тонкую пленку люминофора (тонкопленочный ЭЛИ) толщиной примерно 0, 5-5 мкм, то сильное поле создается во всей пленке. Технологии создания тонкопленочных электролюминесцентных излучателей являются сегодня перспективными. Как правило, тонкопленочные излучатели имеют более высокие яркости свечения по сравнению с порошковыми (яркость свечения порошковых ЭЛИ примерно 40-100 , яркость свечения тонкопленочных ЭЛИ примерно ) и большие сроки службы (для порошковых ЭЛИ это 1-2 тысячи часов, а для тонкоплёночных это примерно 10 тысяч часов).

Первым наблюдал свечение p-n-перехода О.В. Лосев в 1923 г. на кристаллах карбида кремния. В то время еще не существовало теории p-n-перехода, но О.В. Лосев правильно описал наблюдавшиеся явления, связав один из видов свечения с холодным электронным разрядом в твердом теле.

Исследования электролюминесценции порошковых люминофоров, возбуждаeмых переменным напряжением, впервые были проведены Г.Дестрио в 1936 году.

Основными характеристиками ЭЛИ являются яркость свечения, вольт - яркостные и частотно - яркостные характеристики (зависимость яркости свечения от амплитуды приложенного напряжения при фиксированной частоте и зависимость яркости свечения от частоты при фиксированной амплитуде напряжения соответственно); спектр свечения; стабильность (или срок службы), под которой понимают время полуспада яркости свечения. Важной характеристикой является также зависимость яркости свечения от температуры.

Изучение кинетики затухания рекомбинационной люминесценции посвящена лабораторная работа № 55 нашего физического практикума [7].

Типичная зависимость яркости свечения люминофора от температуры при фиксированных амплитуде и частоте возбуждающего напряжения приведена на рисунке 3. Практически для всех люминофоров это кривая с максимумом, лежащим в области температур ниже комнатных. И при фото- и при электролюминесценции возможно тушение свечения (спад яркости при относительно больших температурах), вызванное термическим освобождением дырок с уровней свечения (переход 7 на рисунке 1) и захватом их центрами безызлучательной рекомбинации. При электролюминесценции, возбуждаемой переменным напряжением, тушение происходит только в течение малой доли полупериода возбуждения, соответствующей малым полям, когда процессы освобождения дырок с центров свечения преобладают над процессами ионизации в кристалле, приводящими к появлению неравновесных электронов и дырок. При этом под действием сильного поля дырки движутся к поверхности кристалла и вероятность их рекомбинации с электроном мала. После снижения напряжения дырки могут возвратиться в кристалл и попасть на уровни центров свечения (переход 8 на рисунке 1). В течение всего времени, пока не началось возбуждение под действием напряжения противоположного направления, когда в область, где находятся возбужденные центры свечения, будут возвращаться электроны и рекомбинировать на их уровнях, возможно тепловое освобождение дырок из центров свечения и переход их на другие центры, в том числе и безызлучательные. Поскольку время, в течение которого происходит тушение, соответствующее описанным выше процессам (условия относительно малых полей), составляет часть периода, то оно зависит от частоты приложенного напряжения и уменьшается с увеличением частоты. Вероятность освобождения дырок из центров свечения под действием тепла зависит, естественно, и от температуры люминесцентного слоя: чем выше температура, тем больше вероятность термического освобождения дырок и, следовательно, тушения. Этим объясняется спад яркости при высоких температурах на рисунке 3. Уменьшение яркости при низких температурах связано с уменьшением числа электронов, попадающих в область сильного поля и затем ускоряемых полем.

В ~ , (1)

где b - постоянная величина, характерная для данной марки люминофора и конструкции ЭЛИ в целом.

В цинксульфидных люминофорах, легированных медью и хлором (ZnS: Cu, Cl), ударный механизм возбуждения является основным. На границах зёрен с диэлектриком и вкраплениями Cu S образуются потенциальные барьеры. В этих областях происходит ускорение носителей заряда (электронов), источником которых являются локальные уровни на границе раздела люминофор - диэлектрик или сульфид меди. Если энергия, которую набрал элек

Величина напряженности электрического поля в области его концентрации (барьере) зависит от величины приложенного к кристаллу напряжения. Таким образом, с увеличением напряжения растет и напряженность электрического поля, поэтому увеличивается скорость электронов, соответственно растет вероятность ударной ионизации и, следовательно, яркость свечения (формула (1)).

При высоких напряжениях за каждый полупериод из ловушек одновременно освобождаются все находящиеся там электроны, происходит истощение источника электронов, что может привести к замедлению роста яркости. При таких напряжениях начинают играть роль также и другие факторы, например, перераспределение напряжения между областью барьера и объемом зерен. Типичная зависимость B(U) приведена на рисунке 4.

Зависимость яркости свечения от частоты возбуждающего напряжения, характерная для всех люминофоров, приведена на рис. 5.

В рабочем интервале частот (область 1 на рисунке 5) она может быть аппроксимирована зависимостью вида

~ , (2)

где C - постоянная, определяемая типом люминофора и конструкцией излучателя.

Для исследуемого в работе люминофора в данном интервале частот она практически линейна ( ~1). Пусть за время , в течение которого происходит ударное возбуждение и излучательная рекомбинация за один полупериод возбуждающего напряжения, происходит испускание n квантов света. Тогда в единицу времени будет испущено квантов света (половина будет испущена при рекомбинации на одной стороне кристалла, вторая половина - при рекомбинации на другой стороне кристалла, где также существует потенциальный барьер, работающий при изменении полярности приложенного напряжения). Если время не зависит от длительности полупериода, то с ростом частоты общее время, в течение которого возможно возбуждение и излучение, будет расти линейно, что приведет к росту числа испущенных квантов света. Яркость растет с ростом частоты из-за увеличения числа вспышек в секунду. Причин независимости времени от длительности полупериода может быть две: во-первых, по мере накопления электронов внутри изолированных зерен люминофора будет формироваться внутреннее поляризационное поле, направленное противоположно внешнему. Если в сумме они дают поле, недостаточное для того, чтобы электроны набрали скорость, необходимую для осуществления ударной ионизации, то возбуждение свечения прекратится. Тогда время определяется временем формирования поляризационного поля и не зависит (в первом приближении) от длительности полупериода возбуждения. Во-вторых, за каждый полупериод с уровней ловушек успевают освободиться все электроны, запасенные на них, даже при достаточно больших частотах, когда времени, отводимого на такое освобождение, мало. Происходит истощение источника электронов. В этом случае время будет определяться временем освобождения электронов с уровней ловушек. Впоследствии эти электроны поступают в область барьера. И в этом случае не будет зависеть от длительности полупериода возбуждения.

При увеличении частоты время становится сравнимым с полупериодом возбуждения, тогда на освобождение электронов, поступающих затем в область барьера и участвующих в формировании свечения, отводится все меньше времени, соответственно этому уменьшается и яркость свечения (область 2 на рисунке 5 - насыщение зависимости B(f), область 3 - спад яркости).

К спаду яркости в области больших частот может приводить также перераспределение напряжения между слоями люминофора и диэлектрика или зернами люминофора и окружающими их прослойками диэлектрика в пользу последних. Это приводит к тому, что напряжение, приложенное непосредственно к зерну, становится меньше, уменьшается и яркость свечения.

Кроме того, при увеличении частоты происходит разогрев люминесцентного слоя, из-за чего увеличивается роль температурного тушения.

Цвет свечения ЭЛИ зависит в первую очередь от химического состава основы. Исследуемые люминофоры представляют собой сульфид цинка (ZnS, ширина запрещенной зоны 3, 7 эВ), легированный медью, хлором и марганцем, позволяющими получить свечение в видимой области спектра. Входящая в состав люминофора медь в небольших концентрациях дает синий цвет, а при больших концентрациях зеленый цвет свечения (ZnS: Cu, Cl). Введение марганца (ZnS: Mn, Cl) приводит к желто - оранжевому цвету свечения. Максимумы спектров свечения исследуемых люминофоров приходятся на = 455 нм (синий цвет), = 510 нм (зеленый цвет), = 670 нм (жёлто - оранжевый цвет).

С каждым годом область применений электролюминесцентных излучателей расширяется: они могут быть использованы в качестве средств отображения информации в составе информационных систем на пунктах управления навигационными системами; в качестве индикаторов, отображающих буквенную, цифровую или графическую информацию на информационных табло (одним из достоинств электролюминесцентных излучателей является то, что они могут быть созданы практически любых плоскостных конфигурационных размеров и форм); создан электролюминесцентный телевизионный экран; электролюминесцентные излучатели могут служить подсветкой пассивных устройств отображения информации, например, жидкокристаллических, поскольку яркости последних недостаточно при обычных (дневных) уровнях освещенности; на основе электролюминесцентных излучателей созданы приборы для индикации напряженности сильных электрических полей; порошкообразные и тонкопленочные люминофоры позволяют создать усилители и преобразователи изображения.