天美讲堂丨什么是发光？光致发光？荧光与磷光的区别？

发光是指一种物质在不加热的情况下发出的光(电磁波)。这一定义使发光有别于白炽灯，白炽灯是由于物质温度升高而发出的光，如炽热的余烬。“发光”一词来源于拉丁语“lumen”和拉丁语“escentia”，意为“发光的过程”。 

发光的类型有很多种，可以根据发光过程的能量激发来源进行分类。图2给出了各种发光类型及激发能量的概述。许多这些发光过程有重要的科学和工业应用，如电致发光，在施加电场穿过材料后，通过电子和空穴的重组发射出光，这是发光二极管背后的工作原理; 还有化学发光是由化学反应引发的，用于生物检测。我们常见的荧光棒发光原理就是基于化学发光。当然，本文将会着重介绍众多发光类型当中的光致发光。

Figure 2: Types of luminescence and their energy sources.

光致发光是材料吸收光后发出的光。这个词本身非常有趣，因为它由拉丁语派生的单词“luminescence”和希腊语前缀“photo-”组合而成。任何由吸收光子引起的发光都被称之为光致发光。这同样可能是溶液中有机染料分子的光致发光（图3a），或半导体被光激发后电子和空穴的带间复合（图3b）。

将任何光子吸收引起的光发射描述为光致发光都是准确的;  通常对于化学材料领域的研究者更喜欢将光致发光进行进一步的细分为荧光和磷光。 

荧光和磷光最常用于指分子系统的光致发光。稳定分子中的电子总是成对存在的，因为带有未配对电子的分子非常活泼且不稳定。电子具有一种称为“自旋”的固有角动量，一对电子可以存在于两种总自旋状态之一，这取决于两个电子自旋的相对对称性。如果两个自旋处于反对称构型，则电子对的总自旋为零（S=0），而如果它们处于对称构型，则电子对的总自旋为1（S=1）。如图4所示，有一种电子自旋对态的组合是反对称的，三种自旋对态的组合是对称的，因此S=0和S=1态分别称为单线态和三线态。

当光子被分子吸收时，其中一个电子被激发到更高的能级，分子现在处于激发态。分子的基态(几乎)总是单线态(S₀)，由于角动量守恒，激发态也必须是单线态(S₁)，如下面的雅布隆斯基图所示。S₁态辐射跃迁回S₀是被允许的跃迁(因为这两种态具有相同的自旋多重性)，导致在皮秒到纳秒的时间尺度内发生迅速的光致发光，被称之为荧光。  

或者，分子可能经历系间窜跃（ISC）到激发三重态（T₁）。ISC通常发生在具有高度自旋-轨道耦合的分子中，即电子的轨道角动量和自旋角动量的耦合，这允许在单重态和三重态之间进行转换。自旋轨道耦合强度随着原子质量的增加而增加，因此磷光分子通常含有重金属元素。由于角动量守恒，T₁态向S₀态的跃迁是一种禁止的跃迁，因为能级具有不同的自旋多重性。（然而，自旋轨道耦合放松了这种限制，从T₁到S₁的辐射跃迁成为可能。）由于T₁态向S₀态的跃迁是“禁止的”，因此由T₁到S₀的跃迁产生的光致发光在更慢的时间尺度上发生，从微秒到秒，被称之为磷光。

将发射描述为光致发光还是细化为荧光/磷光最终取决于个人习惯或者偏好。主要研究分子系统的化学和生物领域可能更倾向于使用荧光和磷光，因为在这些高度局域化的分子系统中有不同的单线态和三重态。相比之下; 物理领域主要研究的半导体材料中，电子高度离域，单线态和三重态的概念往往不再相关。这就是为什么物理学研究者更倾向于使用更广泛的光致发光来描述光发射的原因之一。