研究螢光和磷光材料的特性
研究螢光和磷光材料的特性
重點 :
• 磷光
• 光致發光
• 時間分辨分析
技術 :
• 螢光
應用 :
• 材料分析
• 螢光粉末品質控管
記得童年時光有這樣的場景嗎？你的父母給了你25美分，你將25美分滑入遊樂場的自動販賣機中，轉動手柄，然後你將得到一個薄薄的塑膠泡沫，裡面包裝著一個霓虹綠的彈力球。接下來的首要任務是：趕回家，將球放在你能找到的最明亮的燈泡下充電10分鐘，然後走進一個所有燈都關閉的房間，看看這個球有多明亮地發光。瞬間的娛樂。
幾十年前那種玩法確實非常有趣，但現在你可能會發現自己稍微年長了一些，更有可能閱讀有關科學和技術最新進展的文章。那麼，你童年時代那些發光玩具的原理是什麼呢？這些特性今天在更重要的應用和行業中是否仍然起作用呢？
前言 : 螢光粉在現今世界中
光致發光是物質吸收某些能量閾值內的光子，然後將能量以較長波長的形式重新發射出來的特性。通常，光致發光分為兩個類別，即螢光和磷光。
我們都熟悉螢光塗料，它可以在UV夜光的適當分佈下使任何派對生動起來。但是，螢光發生需要一直保持UV激發，因為它展現出如此快速的衰變，通常在納秒或更快的時間尺度上。而讓夜光材料特殊的是，即使激發光消失，它仍然會發光。這是由於一個更慢的轉移過程涉及禁止的量子狀態，這可以需要幾秒到幾分鐘甚至幾小時才能完全鬆弛。
圖1 : 人行道和其他路徑上的光致發光安全標記。
如今，光致發光材料已經被應用於許多實用和救生用途，超越了兒童玩具（見圖一、二），在911事件後的世界中，已經成為國際建築規範（IBC）和國際防火規範（IFC）標準的一部分，用於出口和樓梯間標記（Jessup，2018）。2015年IBC的第1025條款規定，在許多特定大小的建築物中，包括醫院、學校、企業、酒店、公共集會場所和住宅，所有出口路線的台階、平臺、扶手、周邊、障礙物和門都需要安裝自發光標記（American PermaLight，2018）。這些標記照亮路徑的能力並非隨意的；有標準的ASTM方法來檢查光致發光並量化其衰減至每平方米一毫坎德拉（mcd/m2）的規範水平。
圖二 : 光致發光膠帶有許多安全應用。
來自Ocean Insight的光學分析工具
Ocean Insight 是螢光和磷光材料研究和量化工具的知名供應商。最近，我們擴展了傳感工具箱，增加了一些非常令人興奮的東西：一個高度可調節、可變波形的LED光源，用於穩態和時間分辨分析。 LSM 系列 LED 光源是一種多組件封裝，以直觀的外形提供多功能性(圖三)。觸摸螢幕控制器模塊支援使用者自定義功率大小的穩態和連續波形發射。波形包括方波、正弦波和三角波，但也支持通過外部函數產生器驅動的波形。窄帶LED在265-880 nm之間可用，還提供暖白色寬帶光源也可用於吸收和反射應用。
圖三 : LSM 系列 LED 通過智能控制器運行，允許用戶改變功率大小和波形。
為了證明這些新型 LED 在磷光上的價值，我們取得了幾種磷光材料並使用 Ocean Insight 系統對其進行了量化。
光致發光安全標記的製造商需要更強大的方法和更嚴格的 QC 協議來確保產品的一致性。研究下一代這些材料的研究人員需要更先進的工具來量化新材料並將它們與舊材料進行比較。建築師、安全檢查員和監管機構需要新的方法來驗證這些標記是否符合當前標準，並且可以使用其他參數來定義未來“好”和“壞”標記的外觀。
實驗設置
以下磷光化合物來自 Millipore-Sigma：
• 摻有銪和鏑的鍶鋁酸鹽。你可能更熟悉這種化合物的商業名稱 LumiBrite，它通常用於使手錶指針在黑暗中發光。
• 摻雜銪的鋇鎂鋁酸鹽
• YYG 557 230 isophor®
然後我們為設置配置了這些 Ocean Insight 光譜產品：
• LSM 系列 LED 光源
• Ocean FX 高速光譜儀。我們使用了 OCEAN-FX-XR1 擴展範圍選項(200-1025 nm)。
• QR600-7-UV 6-around-1 高級光纖反射探頭
• OceanView 操作軟件
對於每種化合物，將約0.2克的原料粉末倒入塑料秤量皿中。將光纖探頭定位在粉末上，出光口向下，並在不接觸材料的情況下盡可能靠近，距離3毫米以內。
這些材料的亮度簡直令人驚嘆，實驗室裡的幾個人評論說，這些材料似乎以某種方式比它們吸收的光子更多地發射光子（當然，我們並沒有像UV激發那樣高效地看到）。
穩態觀察 : 波長最佳化
LSM 系列 LED 用途廣泛，提供多種波長選項。通過輕鬆更改 LED 選項，我們可以快速找到每種待測化合物的最佳激發波長。
圖四: 鋁酸鍶磷光激發響應
圖五: 鋇鎂鋁酸鹽磷光激發響應。
我們發現 365 nm 是兩種稀土摻雜化合物的理想激發波長(圖四、五)，而 405 nm 是 YYG 557 230 isophor® 材料的最佳選擇(圖六)。例如，對於安全標記製造，了解這些化學品的精確峰值最大值在 QC 和實施後檢查步驟中非常有用。此外，化學激發光譜的寬帶分佈提供了更深層次的理解和品質驗證。
圖六: Isiphor 在 560 nm 處表現出強烈的磷光激發響應。
時間解析分析:你選擇的波形
既然已經確定了最合適 LED，我們就可以開始利用 LSM 系列 LED 的另一個優勢——它們的嚴格控制和高度可定制的波形選項。時間分辨光譜具有穩態領域所沒有的優勢，而這些優勢是由高速 Ocean FX 寬帶光譜儀實現的。憑藉 10 微秒的積分時間和獨特的突發模式選項，Ocean FX 可以更深入地了解化合物的固有物理參數，而傳統的光譜儀將隱藏這些參數。
方波或簡單的脈衝在整個行業有許多用途，是量化光致發光材料衰減時間的標準方法。LSM 系列 LED 模塊設置為輸入20 Hz 方波365 nm 激發光，從 Lumibrite 化合物觀察到產生的525 nm 激發光譜(圖七)。
圖七: 使用 LSM 系列 LED，用戶可以調整波形以更好地量化光致發光材料的衰減時間。
圖八: 可以調整 LSM LED 的工作週期以控制磷光衰減時間。
也許我們已經觀察到這一點，並決定不需要讓 LED 點亮太多時間，但我們可以使用額外的關閉時間讓磷光進一步衰減。LSM 系列模塊允許全面控制方波工作週期，以根據你的化合物調整波形。圖八顯示工作週期改為25%，以便我們實現所需的額外關閉時間，同時將整個系統時鐘保持在20 Hz。
我們的其他鋁酸鹽化合物表現出略微不同的反應，即增加部分基本上是瞬時的，然後開始放鬆，儘管激發功率仍然開啟(圖九)。
圖九: 鋁酸鋇鎂的磷光激發。
在電氣工程領域中另一種流行的波形是經典的正弦波，它在處理相移時有自己的一套數學用途。將 LSM 系列模塊設置為 100 Hz 的正弦波，在 365 nm 激發下觀察 Lumibrite 化合物。這使我們能夠計算以度為單位的相移，這是化合物在其當前狀態下的另一個固有光學特性(圖十)。
圖十: LSM LED 實現的正弦波形提供了對鋁酸鍶磷光相移的不同層次的洞察力。
多功能性繼續提供三角波選項和從函數產生器生成的自定義波形。對於開發新發光材料的研究人員、監控其產品的發光安全標記製造商以及確保這些產品在緊急情況下提供充分指導的檢查員，我們的光譜工具可幫助我們識別、鑑定和揭示每種化合物的其他維度。
結論
無論是對材料進行初始穩態觀察還是深入進行微秒尺度的時間分辨分析，LSM 系列 LED 和 Ocean FX 高速光譜儀都能和諧工作，提供你期望的精確結果。與我們合作，使用新的 LSM 系列 LED 光源套件擴展你的光學工具箱，並為下一種光致發光化合物做好準備。
參考
American PermaLight. (2018). IBC/IFC Compliant UL1994 Egress Path Markings. Retrieved from American PermaLight: https://www.americanpermalight.com/ibc-ifc-compliant-ul1994-listed-egress-path-markings/
Jessup. (2018). Product Compliance of Photoluminescent Films. Retrieved from Jessup Adhesive Coated Films: https://www.jessupmfg.com/faq/