離子、磁性與光學陶瓷

螢光體(phosphor)

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螢光體(phosphor)是一種會發光的固體:餵它能量——紫外光、電子束或藍光——它就把那能量以自身顏色的可見光還給你。你早就在不知不覺中遇過螢光體:日光燈管內壁塗的白色粉末、讓白光 LED 變白的那層黃色物質、老式電視螢幕上發光的點、臥室天花板上會夜光的星星。幾乎每一種螢光體都是陶瓷——一個透明的主晶體,摻進一小撮真正負責發光的特殊雜質。

其機制是一組雙人搭檔。主體材料是主晶格(host lattice,例如 Y2O3、YAG 或某種硫化物);少量溶入其中的是活化劑離子(activator,如銪 Eu3+ 給紅、鈰 Ce3+ 或銪 Eu2+ 給寬廣的黃白、鋱 Tb3+ 給綠,或錳)。當一個光子或電子抵達,它把活化劑中的一個電子抬升到較高能階;那電子隨後鬆弛、跌回原處,釋出一個新光子。由於途中總有部分能量損失為熱與振動,發出的光子能量較低——波長較長——比吸收的那個更長,這個位移稱為斯托克斯位移(Stokes shift)。發光的顏色由活化劑的能階、以及周圍晶體如何擠壓這些能階所決定。

螢光體是照明與顯示器沉默的主力。在日光燈裡,它們把燈管的紫外轉成白光;在白光 LED 裡,一種 YAG:Ce 螢光體把藍色晶片的部分光轉成黃色,藍加黃讀起來就是白;在閃爍體裡,它們把 X 射線與伽瑪射線轉成偵測器數得到的可見閃光。誠實的極限:螢光體的效率隨著變熱(熱淬滅,thermal quenching)與被驅動得更猛(飽和)而下降,這對高功率 LED 是真實的設計難題。還有一個值得澄清的命名陷阱——「phosphor(螢光體)」與化學元素磷(phosphorus)毫無關係;這個字更古老,單純意為「帶光者」。

白光 LED 其實是一顆藍色晶片,上頭抹了一點黃色的 YAG:Ce 螢光體。螢光體吸收部分藍光、以寬廣的黃色重新發出;漏過去的藍與黃色相混,你的眼睛便把這混合讀成白光。

螢光體是一台顏色轉換器:它吞下高能量的光,交還能量較低、顏色較柔和的光。

有兩件事要分清楚:螢光體並不是由元素磷組成的,而且螢光體無法免費地「上轉換」——依斯托克斯位移,發出的光幾乎總是比激發它的光能量更低(波長更長),所以你無法用這種方式把紅光變成藍光。

又称
luminescent materialphosphor powder發光體螢光粉