12.10 : Fotoluminescência: Fluorescência e Fosforescência

A fotoluminescência é um processo em que uma molécula absorve energia luminosa e a reemite na forma de luz. Esse fenômeno ocorre quando uma substância absorve fótons, promovendo seus elétrons a estados excitados de nível de energia mais alto, seguido por um processo de relaxamento no qual os elétrons retornam aos seus níveis de energia originais do estado fundamental e emitem luz. A fotoluminescência é amplamente observada em vários materiais, incluindo semicondutores e compostos orgânicos e inorgânicos.

Um par de elétrons em um estado de spin singleto ocupa o mesmo estado fundamental eletrônico com spins opostos, enquanto um estado excitado tripleto ocorre quando o spin de um elétron não está mais pareado com o do estado fundamental. Existem dois tipos principais de fotoluminescência com base nos estados de spin do elétron envolvidos: fluorescência e fosforescência.

A fluorescência é um tipo de fotoluminescência caracterizada pelo tempo de decaimento rápido, geralmente variando de nanossegundos a microssegundos. Na fluorescência, os estados excitado e fundamental têm a mesma multiplicidade de spin do elétron, o que significa que o spin do elétron permanece inalterado durante a transição. O processo envolve transições singleto-singleto, onde tanto o estado excitado quanto o fundamental são estados singleto onde todos os elétrons são pareados.

A fosforescência é outro tipo de fotoluminescência caracterizada por tempos de decaimento significativamente maiores, estendendo-se de milissegundos a minutos. Na fosforescência, os estados excitado e fundamental têm diferentes multiplicidades de spin de elétrons. O processo envolve transições tripleto-singleto, onde o estado excitado é um estado tripleto (dois elétrons desemparelhados com spins paralelos), e o estado fundamental é um estado singleto. Essas transições são de "spin proibido", o que significa que o spin do elétron deve mudar durante a transição.

Tanto a fluorescência quanto a fosforescência podem ser utilizadas em várias aplicações, como sensores ópticos, bioimagem e diodos orgânicos emissores de luz. Os espectros de fotoluminescência são registrados medindo a intensidade da radiação emitida em relação ao comprimento de onda de excitação ou ao comprimento de onda de emissão. Os espectros de excitação são obtidos monitorando a emissão em um comprimento de onda fixo enquanto variam os comprimentos de onda de excitação. Os espectros de emissão são obtidos usando um comprimento de onda fixo para excitar moléculas.