12.10 : Photolumineszenz: Fluoreszenz und Phosphoreszenz

Die Photolumineszenz ist ein Prozess, bei dem ein Molekül Lichtenergie absorbiert und in Form von Licht wieder abgibt. Dieses Phänomen tritt auf, wenn eine Substanz Photonen absorbiert und ihre Elektronen in angeregte Zustände mit höherem Energieniveau versetzt, worauf ein Relaxationsprozess folgt, bei dem die Elektronen zu ihren ursprünglichen Energieniveaus im Grundzustand zurückkehren und Licht emittieren. Photolumineszenz wird häufig in verschiedenen Materialien beobachtet, darunter Halbleiter sowie organische und anorganische Verbindungen.

Ein Elektronenpaar in einem Singulett-Spinzustand nimmt denselben elektronischen Grundzustand mit entgegengesetzten Spins ein, während ein angeregter Triplettzustand auftritt, wenn der Spin eines Elektrons nicht mehr mit dem des Grundzustands gepaart ist. Basierend auf den beteiligten Elektronenspinzuständen gibt es zwei Haupttypen von Photolumineszenz: Fluoreszenz und Phosphoreszenz.

Die Fluoreszenz ist eine Art von Photolumineszenz, die durch eine schnelle Abklingzeit gekennzeichnet ist, die typischerweise im Bereich von Nanosekunden bis Mikrosekunden liegt. Bei der Fluoreszenz haben der angeregte Zustand und der Grundzustand dieselbe Elektronenspinmultiplizität, was bedeutet, dass der Elektronenspin während des Übergangs unverändert bleibt. Der Prozess umfasst Singulett-Singulett-Übergänge, bei denen sowohl der angeregte Zustand als auch der Grundzustand Singulettzustände sind, in denen alle Elektronen gepaart sind.

Die Phosphoreszenz ist eine andere Art von Photolumineszenz, die durch deutlich längere Abklingzeiten gekennzeichnet ist, die von Millisekunden bis Minuten reichen. Bei der Phosphoreszenz haben der angeregte Zustand und der Grundzustand unterschiedliche Elektronenspinmultiplizitäten. Der Prozess umfasst Triplett-Singulett-Übergänge, bei denen der angeregte Zustand ein Triplettzustand (zwei ungepaarte Elektronen mit parallelen Spins) und der Grundzustand ein Singulettzustand ist. Diese Übergänge sind „spinverboten“, was bedeutet, dass sich der Elektronenspin während des Übergangs ändern muss.

Sowohl Fluoreszenz als auch Phosphoreszenz können in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise in optischen Sensoren, Bioimaging und organischen Leuchtdioden. Photolumineszenzspektren werden aufgezeichnet, indem die Intensität der emittierten Strahlung im Verhältnis zur Anregungswellenlänge oder zur Emissionswellenlänge gemessen wird. Anregungsspektren werden erhalten, indem die Emission bei einer festen Wellenlänge überwacht wird, während die Anregungswellenlänge variiert wird. Emissionsspektren werden erhalten, indem Moleküle bei einer festen Wellenlänge angeregt werden.