Определение квантового выхода люминесценции с учетом реабсорбции Текст научной статьи по специальности «Физика»

II УДК 535.37

I ОПРЕДЕЛЕНИЕ КВАНТОВОГО ВЫХОДА

II ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ С УЧЕТОМ || РЕАБСОРБЦИИ

§§§ А.Н.Ещанов, Б.У.Садык, В.М.Юров, Т.А.Кукетаев

Карагандинский государственный университет им.Е.А.Букетова

III! Реабсорбцияньi есепке ала отырын, люмингсценцияныц кванттъщшыгысъщн

i||| а№1крщ>эд1аатшда.Булэдюжлш}есцетщянъщабсо!юттжкванттьщшыгысьт Ц|| аньадпауда крлдануга болады. Аталган adicmi крлдану мысалы кеттрлген.

III! Разработана методика определения квантового выхода свечения

§||§ люминофоров с учетом реабсорбции. Методика может быть использована §|¡ при определении абсолютного квантового выхода люминесценции

The technique of definition of a quantum output of a luminescence люминофоров with the account реабсорбции is developed. The technique can be used at definition of an absolute quantum output of a luminescence

Квантовый выход люминесценции является основной характеристикой, определяющей практическое использование люминофора. Нами разработана методика определения квантового выхода с учетом реабсорбции.

В фотометрический шар, напротив выходного отверстия помещался экран, покрытый окисью магния, чтобы предотвратить попадание на ФЭУ прямых лучей. Стенки шара также были покрыты окисью магния (как известно MgO обладает коэффициентом диффузного отражения, близким к 1 и, практически, независимым от длины волны излучения [1].

Таким образом, ФЭУ регистрировал интегральную освещенность, устанавливающуюся в фотометрическом шаре после многократного отражения, пропорциональную числу квантов, попавших внутрь шара за единицу времени.

Подобная методика для определения технического выхода люминесценции (т.е. без учета перепоглощения) описана в [2], где квантовый выход определялся из выражения;

№ 3, 2004 г.

129

1*1

Здесь интеграл пропорционален площади под спектральной кривой

излучения объекта. - пропорционален площади спектра возбуждающе-

го излучения, который измеряется при отсутствии объекта и |(1"Р + -

остаточное излучение возбуждения, не поглощенное образцом.

Для учета реабсорбции нами были проделаны следующие расчеты. Рассмотрим излучения тонкого слоя с!х. расположенного на расстоянии х от одной из поверхности образца (рисунок 1). Вначале определим долю излучения 10, поглощенную в этом слое. Учтем, так называемый, эффект внутреннего фильтра [2], т.е. тот факт, что до выделенной области образца 10 дойдет уже ослабленным в слое х.:

(Ип =10Г"х(1-Г"Ле), (2)

где (Дп - свет, поглощенный в слое с!х; 38 - натуральный показатель поглощения.

Применяя разложение экспоненциальной функции р-^ в ряд и пренебрегая степенными членами, начиная с квадратичного (следствие малости с!х), преобразуем предыдущее выражение к следующему виду:

с11п = 10аеГ"<1х(3)

Интенсивность люминесценции прямо пропорциональна числу поглощенных квантов

= Л10аеГ*Мх. (4)

Исходя из равной вероятности излучения света объектом по всем направлениям пространства, можно предположить, что в левое и в правое полупространства (относительно плоскости, в которой лежит слой с1х). излучается одинаковое число квантов. С учетом того, что при выходе из образца люминесценция слоя с!х перепоглощается, запишем

для левого полупространства сИ = 1/2(IIизл "£~гех

для правого полупространства = 1 / 2 (II И!Л • £ ~80 ^й " х ^

где ээ' - натуральный показатель поглощения на длине волны люминесценции.

Тогда суммарная интенсивность излучения, покинувшего образец, равна

Л1 = 1/2Ц\0-СВГ!ВХ(Г*Х +Г*'{«-х))Ах. (5)

Интегрирование выражения (5) от 0 до d дает значение, пропорциональное регистрируемому сигналу

j-ae'd

1рег=1/2г|зе1

о

+ ■

эе + ээ'

эе-аэ

(6)

а интегрирование выражения (4) дает величину, пропорциональную числу актов излучения, происходящих в образце за единицу времени, не принимая во внимание эффект переизлучения, учет которого связан с дополнительными трудностями и который не приводит к заметному искажению истинного спектра люминесценции

1„=Т110(1-Г-). (7)

Из сравнения (6) и (7) определяем вид поправки на реабсорбцию

-1

1ИСТ _ 2(l -r*d)

I

per

39

1 -t

-О

эе + ээ'

)d jj-x d + ■

t

эе-ээ'

(8)

Выражением (8) удобно пользоваться при возбуждении люминесценции монохроматическим светом, т.е. когда эе = const. Исправление спектра излучения производится в этом случае по точкам для каждого значения 1. В случае широкополосного возбуждения ав можно задать для 1, соответствующей положению центра тяжести спектра возбуждающего излучения.

Нетрудно заметить, что поправка на реабсорбцию равна единице в случае ае'= 0, т.е. в области, где отсутствует перекрытие спектров поглощения и люминесценции исследуемого вещества.

После исправления спектров люминесценции возбуждающего и непоглощенного (остаточного) излучений они переносились на миллиметровую бумагу, вырезались и взвешивались на торсионных весах с точностью до 1 мг (-0,5%).

Квантовый выход определялся как отношение:

Л =

ш.

ГШ,

m

(9)

где т - масса соответствующих спектров, пропорциональная их площади. Исследовались эпоксиполимеры, окрашенные родамином 6Ж, содержащие ДБФ (1935, 1938) и диапласт (1936, 1937), Кроме того, образцы 1937, 1938 содержали ДГЭКК - диглицидэтиловый эфир камфорной кислоты. Других различий в составе полимеров не было.

№ 3, 2004 г.

131

Квантовый выход люминесценции измерялся по методике, описанной выше. Результаты приведены в таблице 1. Таблица I

№ образца 1935 1936 1938 1937

ть% 98 88 72 63

Сопоставление полученных результатов приводит к выводу, что диапласт и ДГЭКК снижают квантовый выход люминесценции красителя. В процессе формирования структуры полимера все посторонние примеси, не включающиеся в полимерную сетку, вытесняются в междуузельное пространство. Если предположить, что молекулы родамина 6Ж не «подшиваются» к полимерной сетке, тогда они должны находиться в окружении модификатора и непрореагировав-ших исходных продуктов. Принимая во внимание, что спектральные характеристики красителей в большей степени зависят от окружения, становится понятной зависимость выхода люминесценции от типа применяемого модификатора. После выдержки образцов 1935, 1936, 1937, 1938 при 140 °С в течение 6 часов квантовый выход люминесценции не изменился.

ах

/

I

1 > >

I 1 I

ил____..........................—о

ох о

Рис. 1. К расчету поправки на реабсорбцию

Таким образом, оптическая однородность матрицы зависит от типа введенного модификатора. Низкомолекулярные модификаторы, например, ДБФ, повышают структурную и оптическую однородность. Высокомолекулярные (диапласт) - наоборот, снижают. Квантовый выход люминесценции красителей в эпоксиполимерной матрице зависит от ее химического состава. Присутствие в полимере диапласта или ДГЭКК снижает квантовый выход. Отверждение при температурах, меньших температуры стеклования, не изменяет оптических и спектральных характеристик эпоксидных полимеров.

ЛИТЕРАТУРА

1. Меланхолии Н.М. Методы исследования оптических свойств кристаллов. М.: Химия, 1970,150 с.

2. Энштейн М.И. Спектральные измерения в электровакуумной технике. М.: Энергия, 1970,160 с.