Fotoluminescenza: luminescenza, fenomeni ottici

La fotoluminescenza è un fenomeno ottico consistente in una emissione di luce da parte di una sostanza a seguito dell’assorbimento di una radiazione elettromagnetica. Quando una specie assorbe un fotone un elettrone è eccitato e passa a uno stato elettronico superiore.

Successivamente quando l’elettrone ritorna a uno stato di energia inferiore è irradia il fotone.

La fotoluminescenza comprende sia processi di fluorescenza che di fosforescenzae ha origine da un processo di assorbimento/emissione tra diversi livelli di energia elettronica nel materiale. La quantità e il tipo di fotoluminescenza dipendono dal materiale e dalla lunghezza d’onda utilizzata.

L’osservazione della fotoluminescenza a una certa energia può essere vista più direttamente come indicazione della popolazione dello stato associato a questa energia di transizione

La fotoluminescenza fu osservata e documentata ufficialmente per la prima volta nel 1603 da Vincenzo Cascariolo nella periferia di Bologna in una pietra naturale chiamata barite . Questa pietra incandescente, soprannominata la  Pietra di Bologna, è stata vista emettere luce dopo essere stata trattata dal calore ed essere stata esposta alla luce solare.

Luminescenza

Atomi di elementi diversi hanno un numero diverso di elettroni distribuiti in diversi gusci e orbitali. Quando il sistema assorbe energia, gli elettroni sono eccitati e portati in uno stato energetico superiore.

A seconda della molecola e dell’atomo, gli elettroni possono occupare solo livelli energetici discreti poiché l’energia è quantizzata, il che significa che l’energia può essere assorbita ed emessa solo in determinate quantità.

La differenza di energia tra due livelli rispettivamente E₁ e E₂ è data da:
ΔE = E₂ – E₂

Dove E è pari a:
E = hν dove h è la costante di Planck e ν è la frequenza della luce.

La frequenza della radiazione è correlata alla lunghezza d’onda tramite la relazione ν = c/ λ dove c è la velocità della luce che è pari a 3.00 ∙ 10⁸ m/s.

È quindi possibile calcolare la frequenza e la lunghezza d’onda necessarie perché si verifichi una transizione elettronica per far avvenire la quale, in molti casi, è richiesta la frequenza di una radiazione U.V.

Usi della fotoluminescenza

La fotoluminescenza è una tecnica comune usata per caratterizzare le proprietà optoelettroniche di semiconduttori e altri materiali. Gli elettroni sono eccitati dalla banda di valenza a quella di conduzione del materiale da una fonte con un’energia maggiore del band gap. Di conseguenza, i portatori di carica fotoeccitati si rilassano e si ricombinano spontaneamente con le lacune nella banda di valenza.

La spettroscopia di fotoluminescenza convenzionale si basa su misurazioni dello spettro di emissione secondaria a parametri fissi della radiazione primaria. In questa configurazione lo spettro misurato è determinato principalmente dalla forza dell’oscillatore e dall’occupazione degli stati radiativi.

A sua volta, l’occupazione è controllata dai processi di rilassamento energetico e di durata di vita dei portatori di carica e degli eccitoni . In un’altra tecnica, nota come spettroscopia di eccitazione della fotoluminescenza , lo spettrometro è impostato per rilevare l’emissione di un’energia di fotoni fissa dal campione.

L’intensità di questa emissione viene registrata in funzione dell’energia del fotone di eccitazione. Gli spettri di eccitazione della fotoluminescenza forniscono informazioni sullo spettro di assorbimento al di sopra del limite fondamentale, piuttosto che sulle durate di vita degli stati eccitati.

In particolare la spettroscopia di fotoluminescenza è usata per misurare la purezza e la qualità cristallina di semiconduttori come il nitruro di gallio e fosfuro di indio e per quantificare la quantità di disordine presente in un sistema. È probabilmente la tecnica più utile quando si sviluppa un nuovo sistema di materiali (band gap diretto). È non distruttiva e non richiede praticamente alcuna preparazione del campione o strutture di dispositivi complesse.

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