сдвиг Стокса
Стоксов сдвиг — это разница (в единицах энергии , волнового числа или частоты ) между положениями максимумов полос спектров и излучения ( поглощения двумя примерами являются флуоресценция и комбинационное рассеяние света ) одного и того же электронного перехода. [1] Он назван в честь ирландского физика Джорджа Габриэля Стоукса . [2] [3] [4]
Когда система (будь то молекула или атом ) поглощает фотон , она набирает энергию и переходит в возбужденное состояние . Система может расслабиться, испустив фотон. Стоксов сдвиг происходит, когда энергия испускаемого фотона ниже энергии поглощенного фотона, что представляет собой разницу в энергии двух фотонов.
Стоксов сдвиг является, прежде всего, результатом двух явлений: колебательной релаксации или диссипации и реорганизации растворителя. Флуорофор – это часть молекулы с дипольным моментом, проявляющая флуоресценцию. Когда флуорофор переходит в возбужденное состояние, его дипольный момент меняется, но окружающие молекулы растворителя не могут так быстро подстроиться. Только после колебательной релаксации их дипольные моменты перестраиваются. [5]
Стоксовы сдвиги даются в единицах длины волны, но это менее значимо, чем единицы энергии, волнового числа или частоты, поскольку зависит от длины волны поглощения. Например, стоксов сдвиг на 50 нм от поглощения при 300 нм больше с точки зрения энергии, чем стоксов сдвиг на 50 нм от поглощения при 600 нм.
Стокса флуоресценция
[ редактировать ]
Стоксова флуоресценция — это излучение фотона с большей длиной волны (более низкой частоты или энергии) молекулой, которая поглотила фотон с более короткой длиной волны (более высокой частотой или энергией). [6] [7] [8] Как поглощение, так и излучение (испускание) энергии характерны для конкретной молекулярной структуры. Если материал имеет прямую запрещенную зону в диапазоне видимого света, падающий на него свет поглощается, что переводит электроны в состояние с более высокой энергией. Электроны остаются в возбужденном состоянии около 10 −8 секунды. Это число варьируется на несколько порядков в зависимости от образца и известно как время жизни флуоресценции образца. Потеряв небольшое количество энергии в результате колебательной релаксации, молекула возвращается в основное состояние и выделяется энергия.
Антистоксовый сдвиг
[ редактировать ]Если испускаемый фотон имеет больше энергии, чем поглощенный фотон, разница в энергии называется антистоксовым сдвигом ; [9] эта дополнительная энергия возникает в результате рассеяния тепловых фононов в кристаллической решетке, охлаждая при этом кристалл. Антистоксовы сдвиги также могут быть обусловлены процессами триплет-триплетной аннигиляции, приводящими к образованию более высоких синглетных состояний, излучающих при более высоких энергиях.
Применение стоксовых и антистоксовых сдвигов
[ редактировать ]Рамановская спектроскопия
[ редактировать ]В рамановской спектроскопии , когда молекула возбуждается падающим излучением, она претерпевает стоксов сдвиг, поскольку излучает излучение на более низком энергетическом уровне, чем падающее излучение. Анализ интенсивности и частоты спектрального сдвига дает ценную информацию о модах колебаний молекул, позволяя идентифицировать химические связи, функциональные группы и молекулярные конформации.
Оксисульфид иттрия
[ редактировать ]Оксисульфид иттрия ( Y 2 O 2 S ), допированный оксисульфидом гадолиния ( Gd 2 O 2 S ) — распространенный промышленный антистоксовый пигмент , поглощающий в ближней инфракрасной области и излучающий в видимой области спектра. [10] Этот композитный материал часто используется в люминесцентных приложениях, где он поглощает фотоны с более низкой энергией и излучает фотоны с более высокой энергией. Это уникальное свойство делает его особенно ценным в различных технологических областях, включая защищенную печать, меры по борьбе с подделками и люминесцентные дисплеи. Используя антистоксову флуоресценцию, этот пигмент позволяет создавать яркие и долговечные чернила, покрытия и материалы с улучшенной видимостью и возможностями аутентификации.
Преобразование фотонов с повышением частоты
[ редактировать ]Преобразование фотонов с повышением частоты — это антистоксовый процесс, при котором фотоны с более низкой энергией преобразуются в фотоны с более высокой энергией. Примером этого более позднего процесса является преобразование наночастиц с повышением частоты . Чаще всего это наблюдается в рамановской спектроскопии , где его можно использовать для определения температуры материала. [11]
Оптоэлектронные устройства
[ редактировать ]В тонкопленочных полупроводниковых слоях с прямой запрещенной зоной стоксово смещенное излучение может возникать из трех основных источников: легирования, деформации и беспорядка. [12] Каждый из этих факторов может приводить к изменениям энергетических уровней полупроводникового материала, что приводит к сдвигу излучаемого света в сторону более длинных волн по сравнению с падающим светом. Это явление особенно актуально для оптоэлектронных устройств, где контроль этих факторов может иметь решающее значение для оптимизации производительности устройства.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Гисперт, младший (2008). Координационная химия . Вайли-ВЧ . п. 483. ИСБН 978-3-527-31802-5 . [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Альбани, младший (2004). Структура и динамика макромолекул: исследования поглощения и флуоресценции . Эльзевир . п. 58. ИСБН 0-444-51449-Х .
- ^ Лакович, Дж. Р. 1983. Принципы флуоресцентной спектроскопии, Plenum Press, Нью-Йорк. ISBN 0-387-31278-1 .
- ^ Гильбо, Г.Г., 1990. Практическая флуоресценция, второе издание, Marcel Dekker, Inc., Нью-Йорк. ISBN 0-8247-8350-6 .
- ^ «Флуоресцентная микроскопия — основные понятия флуоресценции | Olympus LS» . www.olympus-lifescience.com . Проверено 14 апреля 2024 г.
- ^ Banwell CN и McCash EM. Основы молекулярной спектроскопии (4-е изд., McGraw-Hill 1994), стр. 101 и стр. 113. ISBN 0-07-707976-0
- ^ Аткинс П. и де Паула Дж. Физическая химия (8-е изд., WH Freeman 2006), стр.431 ISBN 0-7167-8759-8
- ^ Рост, ФВД (1992). Флуоресцентная микроскопия . Издательство Кембриджского университета . п. 22. ISBN 0-521-23641-Х . Архивировано из оригинала 13 ноября 2012 года.
- ^ Китай, А. (2008). Люминесцентные материалы и их применение . Джон Уайли и сыновья. п. 32. ISBN 978-0-470-05818-3 .
- ^ Георгобиани, АН; Богатырева А.А.; Ищенко В.М.; Манаширов О. Я.; Гутан, В.Б.; Семендяев, СВ (01.10.2007). «Новый многофункциональный люминофор на основе оксисульфида иттрия» . Неорганические материалы . 43 (10): 1073–1079. дои : 10.1134/S0020168507100093 . ISSN 1608-3172 .
- ^ Керестури, Габор (2002). «Раман-спектроскопия: теория». Справочник по колебательной спектроскопии . Том. 1. Чичестер: Уайли. ISBN 0471988472 .
- ^ Павел Владимирович Колесниченко; Цяньхуэй Чжан; Тинхэ Юн; Чанси Чжэн; Майкл С. Фюрер ; Джеффри А. Дэвис (2020). «Распутывание эффектов легирования, деформации и беспорядка в монослое WS2 с помощью оптической спектроскопии» . 2D материалы . 7 (2): 025008. arXiv : 1909.08214 . дои : 10.1088/2053-1583/ab626a . S2CID 202661069 .
