Luminescence - mécanisme et application dans les sources lumineuses

La luminescence est la luminescence d'une substance qui se produit lors du processus de conversion de l'énergie absorbée par celle-ci en rayonnement optique. Cette lueur n'est pas causée directement par le chauffage de la substance.

Le mécanisme du phénomène est lié au fait que, sous l'influence d'une source interne ou externe, des atomes, des molécules ou des cristaux sont excités dans une substance, qui émet alors des photons.

En fonction de la durée de la luminescence ainsi obtenue, qui à son tour dépend de la durée de vie de l'état excité, on distingue une luminescence décroissante rapide et une luminescence de longue durée. La première est appelée fluorescence, la seconde est phosphorescence.

Pour qu'une substance brille, ses spectres doivent être discrets, c'est-à-dire que les niveaux d'énergie des atomes doivent être séparés les uns des autres par des bandes d'énergie interdites. Pour cette raison, les métaux solides et liquides qui ont un spectre d'énergie continu ne sont pas du tout luminescents.

Dans les métaux, l'énergie d'excitation est simplement continuellement convertie en chaleur.Et ce n'est que dans la gamme des ondes courtes que les métaux peuvent subir une fluorescence X, c'est-à-dire que sous l'action des rayons X, ils émettent des rayons X secondaires.

Mécanismes d'excitation de la luminescence

Il existe différents mécanismes d'excitation de la luminescence, selon lesquels il existe plusieurs types de luminescence :

• Photoluminescence — excitée par la lumière dans les gammes visible et ultraviolette.

• Chimiluminescence - induite par une réaction chimique.

• Cathodoluminescence — excitée par les rayons cathodiques (électrons rapides).

• La sonoluminescence est excitée dans un liquide par une onde ultrasonore.

• Radioluminescence — excitée par un rayonnement ionisant.

• La triboluminescence est excitée par frottement, écrasement ou séparation des luminophores (décharges électriques entre fragments chargés), et dans ce cas la lumière de décharge excite la photoluminescence.

• La bioluminescence est la lueur des organismes vivants, obtenue par eux indépendamment ou avec l'aide d'autres participants à la symbiose.

• Électroluminescence - excitée par un courant électrique traversant un luminophore.

• La candoluminescence est une lueur lumineuse.

• La thermoluminescence est excitée en chauffant une substance.

L'utilisation de la luminescence dans les sources lumineuses

Les sources lumineuses luminescentes sont celles dont la lueur est basée sur le phénomène de luminescence. Ainsi, toutes les lampes à décharge de gaz sont des sources de rayonnement fluorescentes et mixtes. Dans les lampes photoluminescentes, la lueur est créée par un luminophore excité par l'émission d'une décharge électrique.

Les LED blanches sont généralement basées sur du cristal InGaN bleu et du phosphore jaune.Les luminophores jaunes utilisés par la plupart des fabricants sont une modification du grenat d'yttrium-aluminium allié au cérium trivalent.

Le spectre de luminescence de ce luminophore a une longueur d'onde maximale caractéristique dans la région de 545 nm. La partie ondes longues du spectre domine la partie ondes courtes. La modification du luminophore par ajout de gallium et de gadolinium permet de décaler le maximum du spectre vers le domaine froid (gallium) ou vers le domaine chaud (gadolinium).

À en juger par le spectre du luminophore utilisé dans les LED Cree, en plus du grenat d'yttrium-aluminium, un luminophore avec une émission maximale décalée vers la région rouge est ajouté au luminophore de la LED blanche.

En comparaison avec des lampes fluorescentesLe luminophore utilisé dans les LED a une longue durée de vie et le vieillissement du luminophore est principalement déterminé par la température. Le luminophore est généralement appliqué directement sur le cristal LED, qui devient très chaud. D'autres facteurs affectant le phosphore ont un effet moins prononcé sur leur durée de vie.

Le vieillissement du luminophore entraîne non seulement une diminution de la luminosité de la LED, mais également une modification de la teinte de la lumière résultante. Avec une détérioration significative du luminophore, la teinte bleue de la luminescence devient clairement visible. Cela est dû aux propriétés changeantes du luminophore et au fait que le spectre commence à dominer l'émission interne de la puce LED. Avec l'introduction de la technologie de la couche isolée de phosphore, l'influence de la température sur la vitesse de sa dégradation diminue.

Autres applications de la luminescence

La photonique utilise principalement des convertisseurs et des sources lumineuses basées sur l'électroluminescence et la photoluminescence : LED, lampes, lasers, revêtements luminescents, etc. — c'est précisément le domaine dans lequel la luminescence est très largement utilisée.

De plus, les spectres de luminescence aident les scientifiques à étudier la composition et la structure des substances. Les méthodes de luminescence permettent de déterminer la taille, la concentration et la distribution spatiale des nanoparticules, ainsi que la durée de vie des états excités des porteurs de charge hors d'équilibre dans les structures semi-conductrices.

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