12.10 : פוטולומינסנציה: פלואורסצנציה ופוספורסצנציה

פוטולומינסנציה היא תהליך שבו מולקולה סופגת אנרגיית אור ופולטת אותה חזרה בצורת אור. תופעה זו מתרחשת כאשר חומר סופג פוטונים, מקדם את האלקטרונים שלו לרמות אנרגיה מעוררות גבוהות יותר, ולאחר מכן עובר תהליך הרפיה שבו האלקטרונים חוזרים למצבם המקורי ברמות האנרגיה הבסיסיות תוך פליטת אור. פוטולומינסנציה נצפית במגוון חומרים, כולל מוליכים למחצה ותרכובות אורגניות ואי-אורגניות.

זוג אלקטרונים במצב ספין סינגלט תופס את אותו מצב אלקטרוני בסיסי עם ספינים מנוגדים, בעוד שמצב מעורר טריפלט מתרחש כאשר ספין האלקטרון אינו מזווג עוד עם זה של המצב הבסיסי. קיימים שני סוגים עיקריים של פוטולומינסנציה המבוססים על מצבי הספין של האלקטרונים המעורבים: פלואורסצנציה ופוספורסצנציה.

פלואורסצנציה היא סוג של פוטולומינסנציה המתאפיינת בזמן דעיכה מהיר, הנע בדרך כלל בין ננו-שניות למיקרו-שניות. בפלואורסצנציה, למצב המעורר והמצב הבסיסי יש אותה ריבוי ספין אלקטרוני, כלומר ספין האלקטרון אינו משתנה במהלך המעבר. התהליך כולל מעברים מסוג סינגלט-סינגלט, שבהם הן המצב המעורר והן המצב הבסיסי הם מצבי סינגלט שבהם כל האלקטרונים מזווגים.

פוספורסצנציה היא סוג נוסף של פוטולומינסנציה, המתאפיינת בזמני דעיכה ארוכים משמעותית, הנעים בין מילי-שניות לדקות. בפוספורסצנציה, למצב המעורר ולמצב הבסיסי יש ריבוי ספין שונה. התהליך כולל מעברים מסוג טריפלט-סינגלט, שבהם המצב המעורר הוא מצב טריפלט (שני אלקטרונים בלתי מזווגים עם ספינים מקבילים), והמצב הבסיסי הוא מצב סינגלט. מעברים אלה הם "אסורים בספין", כלומר ספין האלקטרון חייב להשתנות במהלך המעבר.

גם פלואורסצנציה וגם פוספורסצנציה משמשות ביישומים שונים, כגון חיישנים אופטיים, דימות ביולוגי ונוריות אורגניות פולטות אור (OLED). ספקטרום הפוטולומינסנציה נרשם על ידי מדידת עוצמת הקרינה הנפלטת ביחס לאורך הגל של ההעוררות או הפליטה. ספקטרום עירור מתקבל על ידי מעקב אחר פליטה באורך גל קבוע תוך שינוי אורכי הגל של העירור. ספקטרום הפליטה מתקבל על ידי שימוש באורך גל קבוע לעירור המולקולות.