Lumineszenz – Mechanismus und Anwendung in Lichtquellen

Lumineszenz ist die Lumineszenz eines Stoffes, die bei der Umwandlung der von ihm absorbierten Energie in optische Strahlung auftritt. Dieses Leuchten wird nicht direkt durch Erhitzen der Substanz verursacht.

Der Mechanismus des Phänomens hängt damit zusammen, dass unter dem Einfluss einer inneren oder äußeren Quelle Atome, Moleküle oder Kristalle in einer Substanz angeregt werden, die dann Photonen emittiert.

Abhängig von der Dauer der so erhaltenen Lumineszenz, die wiederum von der Lebensdauer des angeregten Zustands abhängt, unterscheidet man zwischen schnell abklingender und lang anhaltender Lumineszenz. Die erste heißt Fluoreszenz, die zweite Phosphoreszenz.

Damit ein Stoff leuchten kann, müssen seine Spektren diskret sein, das heißt, die Energieniveaus der Atome müssen durch verbotene Energiebänder voneinander getrennt sein. Aus diesem Grund lumineszieren feste und flüssige Metalle mit einem kontinuierlichen Energiespektrum überhaupt nicht.

Bei Metallen wird die Anregungsenergie einfach kontinuierlich in Wärme umgewandelt.Und nur im kurzwelligen Bereich können Metalle Röntgenfluoreszenz erfahren, das heißt, sie emittieren unter Einwirkung von Röntgenstrahlen sekundäre Röntgenstrahlung.

Mechanismen der Lumineszenzanregung

Für die Anregung der Lumineszenz gibt es unterschiedliche Mechanismen, nach denen es mehrere Arten der Lumineszenz gibt:

• Photolumineszenz – angeregt durch Licht im sichtbaren und ultravioletten Bereich.

• Chemilumineszenz – induziert durch eine chemische Reaktion.

• Kathodolumineszenz – angeregt durch Kathodenstrahlen (schnelle Elektronen).

• Sonolumineszenz wird in einer Flüssigkeit durch eine Ultraschallwelle angeregt.

• Radiolumineszenz – angeregt durch ionisierende Strahlung.

• Tribolumineszenz wird durch Reiben, Zerkleinern oder Trennen von Leuchtstoffen (elektrische Entladungen zwischen geladenen Fragmenten) angeregt, und in diesem Fall regt das Entladungslicht Photolumineszenz an.

• Biolumineszenz ist das Leuchten lebender Organismen, das von ihnen unabhängig oder mit Hilfe anderer Symbioseteilnehmer erreicht wird.

• Elektrolumineszenz – angeregt durch einen elektrischen Strom, der durch einen Leuchtstoff fließt.

• Candolumineszenz ist ein leuchtendes Leuchten.

• Thermolumineszenz wird durch Erhitzen einer Substanz angeregt.

Die Verwendung von Lumineszenz in Lichtquellen

Lumineszierende Lichtquellen sind solche, deren Leuchten auf dem Phänomen der Lumineszenz beruht. Alle Gasentladungslampen sind also Leuchtstoff- und Mischstrahlungsquellen. Bei Photolumineszenzlampen wird das Leuchten durch einen Leuchtstoff erzeugt, der durch die Emission einer elektrischen Entladung angeregt wird.

Weiße LEDs basieren normalerweise auf blauem InGaN-Kristall und gelbem Leuchtstoff.Die von den meisten Herstellern verwendeten gelben Leuchtstoffe sind eine Modifikation von Yttrium-Aluminium-Granat, legiert mit dreiwertigem Cer.

Das Lumineszenzspektrum dieses Leuchtstoffs weist eine charakteristische maximale Wellenlänge im Bereich von 545 nm auf. Der langwellige Teil des Spektrums dominiert den kurzwelligen Teil. Durch die Modifikation des Leuchtstoffs durch Zugabe von Gallium und Gadolinium ist es möglich, das Maximum des Spektrums in den kalten Bereich (Gallium) oder in den warmen Bereich (Gadolinium) zu verschieben.

Dem Spektrum des in Cree-LEDs verwendeten Leuchtstoffs nach zu urteilen, wird dem weißen LED-Leuchtstoff zusätzlich zum Yttrium-Aluminium-Granat ein Leuchtstoff mit einer in den roten Bereich verschobenen maximalen Emission hinzugefügt.

Im Vergleich mit LeuchtstofflampenDer in LEDs verwendete Leuchtstoff hat eine lange Lebensdauer und die Alterung des Leuchtstoffs wird hauptsächlich durch die Temperatur bestimmt. Der Leuchtstoff wird meist direkt auf den LED-Kristall aufgetragen, der sehr heiß wird. Andere Einflussfaktoren auf Phosphor haben einen weniger ausgeprägten Einfluss auf deren Lebensdauer.

Die Alterung des Leuchtstoffs führt nicht nur zu einem Rückgang der Helligkeit der LED, sondern auch zu einer Veränderung des Farbtons des resultierenden Lichts. Bei deutlicher Verschlechterung des Leuchtstoffs wird der blaue Farbton der Lumineszenz deutlich sichtbar. Dies ist auf die sich ändernden Eigenschaften des Leuchtstoffs und die Tatsache zurückzuführen, dass das Spektrum beginnt, die interne Emission des LED-Chips zu dominieren. Mit der Einführung der Technologie der isolierten Phosphorschicht nimmt der Einfluss der Temperatur auf die Abbaugeschwindigkeit ab.

Andere Anwendungen der Lumineszenz

In der Photonik kommen vor allem Konverter und Lichtquellen auf Basis von Elektrolumineszenz und Photolumineszenz zum Einsatz: LEDs, Lampen, Laser, Leuchtschichten etc. – Genau in diesem Bereich wird Lumineszenz sehr häufig eingesetzt.

Darüber hinaus helfen Lumineszenzspektren Wissenschaftlern bei der Untersuchung der Zusammensetzung und Struktur von Stoffen. Lumineszenzmethoden ermöglichen die Bestimmung der Größe, Konzentration und räumlichen Verteilung von Nanopartikeln sowie der Lebensdauer angeregter Zustände von Nichtgleichgewichtsladungsträgern in Halbleiterstrukturen.

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