thumb|Fluorescentni rastvori pod UV svjetlom. Apsorbovani fotoni se brzo ponovo emituju pod dužim elektromagnetnim talasnim dužinama. Fotoluminiscencija (skraćeno kao PL) je emisija svjetlosti iz bilo kojeg oblika materije nakon apsorpcije fotona (elektromagnetnog zračenja). To je jedan od mnogih oblika luminescencija (emisije svjetlosti) i inicira ga fotoekscitacija (tj. fotoni koji pobuđuju elektrone na viši energetski nivo u atomu), otuda i prefiks foto.IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "photochemistry". Nakon ekscitacije, obično se javljaju različiti relaksacijski procesi u kojima ostali fotoni ponovo zrače. Vremenski periodi između apsorpcije i emisije mogu varirati: u rasponu od kratkog femtosekundnog režima za emisiju koja uključuje plazmu slobodnog nositelja u neorganskim poluvodičimaHayes, G.R.; Deveaud, B. (2002). "Is Luminescence from Quantum Wells Due to Excitons?". Physica Status Solidi A 190 (3): 637–640. doi:10.1002/1521-396X(200204)190:3<637::AID-PSSA637>3.0.CO;2-7 do milisekundi za procese fosforescencije u molekulskim sistemima; a pod posebnim okolnostima kašnjenje emisije može trajati čak i do minuta ili sati.
Promatranje fotoluminiscencije pri određenoj energiji može se smatrati indikacijom da je elektron naselio pobuđeno stanje povezano s ovom prijelaznom energijom.
Iako je ovo općenito tačno za atome i slične sisteme, korelacije i drugi složeniji fenomeni takođe deluju kao izvori fotoluminiscencije u sistemima sa više tijela kao što su poluprovodnici. Teorijski pristup za rješavanje ovoga dat je jednadžbama luminiscencije poluvodiča.
Oblici thumb|Shema za ekscitacijske-relaksacijske procese fotoluminiscencije
Procesi fotoluminiscencije mogu se klasificirati prema različitim parametrima, kao što je energija uzbudljivog fotona u odnosu na emisiju. Rezonantna pobuda opisuje situaciju u kojoj se fotoni određene talasne dužine apsorbuju, a ekvivalentni fotoni vrlo brzo ponovo emituju. Ovo se često naziva rezonantna fluorescencija. Za materijale u fazi rastvora ili u plinu, ovaj proces uključuje elektrone, ali ne i značajne unutrašnje energetske tranzicije koje uključuju molekulske karakteristike hemijske supstance između apsorpcije i emisije. U kristalnim neorganskim poluvodičima gdje se formira elektronska struktura pojasa, sekundarna emisija može biti složenija jer događaji mogu sadržavati oba koherentna doprinosa kao što je rezonantno Rayleighovo raspršenje, gdje je fiksna održava se fazni odnos sa svjetlosnim poljem (tj. energetski elastični procesi u kojima nema gubitaka), kao i nekoherentnog doprinosa (ili neelastični modovi gdje se neka energija kanališe u pomoćni način gubitka),Kira, M.; Jahnke, F.; Koch, S. W. (1999). "Quantum Theory of Secondary Emission in Optically Excited Semiconductor Quantum Wells". Physical Review Letters 82 (17): 3544–3547. doi:10.1103/PhysRevLett.82.3544
Potonji potiču, naprimjer, iz radijativne rekombinacije eksitona, Coulomb-vezanih stanja para elektron-rupa u čvrstim tvarima. Rezonantna fluorescencija također može pokazati značajne kvantno optičke korelacije.Kimble, H. J.; Dagenais, M.; Mandel, L. (1977). "Photon Antibunching in Resonance Fluorescence". Physical Review Letters 39 (11): 691–695. doi:10.1103/PhysRevLett.39.691Carmichael, H. J.; Walls, D. F. (1976). "Proposal for the measurement of the resonant Stark effect by photon correlation techniques". Journal of Physics B: Atomic and Molecular Physics 9 (4): L43. doi:10.1088/0022-3700/9/4/001
Više procesa može se desiti kada supstanca prođe kroz unutrašnje energetske prijelaze, prije nego što ponovo emituje energiju iz događaja apsorpcije. Elektroni mijenjaju energetska stanja ili rezonantno dobijaju energiju od apsorpcije fotona ili gube energiju emitiranjem fotona. U disciplinama koje se odnose na hemiju, često se pravi razlika između termina fluorescencija i fosforescencija. Prvi je tipski brz proces, ali se neka količina izvorne energije raspršuje tako da će ponovno emitirani svjetlosni fotoni imati nižu energiju od apsorbiranih ekscitacijskih fotona. Za ponovno emitovani foton u ovom slučaju se kaže da je crveno pomaknut, što se odnosi na smanjenu energiju koju nosi nakon ovog gubitka (kao što pokazuje Jablonskijev dijagram). Za fosforescenciju, elektroni koji su apsorbovali fotone prolaze kroz međusistemsko ukrštanje, gdje ulaze u stanje sa promenjenom spinskom multiplicitnošću (vidi simbol izraza), obično tripletno stanje. Jednom kada se pobuđeni elektron prebaci u ovo tripletno stanje, tranzicija (relaksacija) elektrona nazad u energiju nižeg singletnog stanja je kvantno mehanički zabranjena, što znači da se dešava mnogo sporije od drugih prijelaza. Rezultat je spor proces radijativne tranzicije nazad u singletno stanje, koji ponekad traje nekoliko minuta ili sati. Ovo je osnova za supstance koje "sjaje u mraku".
Fotoluminiscencija je važna tehnika za mjerenje čistoće i kristalnog kvaliteta poluprovodnika kao što su GaN i InP i za kvantifikaciju količine poremećaja prisutnog u sistemu.Alfaraj, N.; Mitra, S.; Wu, F. ; Ajia, A. A.; Janjua, B.; Prabaswara, A.; Aljefri, R. A.; Sun, H.; Ng, T. K.; Ooi, B. S.; Roqan, I. S.; Li, X. (2017). "Photoinduced entropy of InGaN/GaN p-i-n double-heterostructure nanowires". Applied Physics Letters 110 (16): 161110.
Vremenski razlučena fotoluminiscencija (TRPL) je metod u kojem se uzorak pobuđuje svjetlosnim impulsom, a zatim se mjeri opadanje fotoluminiscencije u odnosu na vrijeme. Ova tehnika je korisna za mjerenje životnog vijeka manjinskog nositelja III-V poluprovodnika kao što je galij-arsenid (GaAs).
Fotoluminiscencijska svojstva poluvodiča sa direktnim razmakom U tipskom PL eksperimentu, poluvodič je pobuđen izvorom svjetlosti koji daje fotonima energiju veću od energije pojasnog razmaka. Dolazeća svjetlost pobuđuje polarizaciju koja se može opisati Blochovim jednadžbama poluvodiča.Kira, M.; Koch, S. W. (2011). Semiconductor Quantum Optics. Cambridge University Press. .Haug, H.; Koch, S. W. (2009). Quantum Theory of the Optical and Electronic Properties of Semiconductors (5th ed.). World Scientific. p. 216. . Jednom kada se fotoni apsorbuju, formiraju se elektroni i rupe sa konačnim momentima u kondukcijskom polasu, odnosno valentnim pojasima. Pobuđenja tada prolaze kroz energetsku i impulsnu relaksaciju prema minimumu pojasne trake. Tipski mehanizmi su Kulonovo rasijanje i interakcija sa fononima. Konačno, elektroni se rekombinuju sa rupama pod emisijom fotona.
Idealni poluprovodnici bez defekata su sistemi više tijela gdje se interakcije nosiltelja naboja i vibracija rešetke moraju uzeti u obzir kao dodatak sprezi svjetlost-materija. Općenito, PL svojstva su takođe izuzetno osjetljiva na unutrašnje električno polje i na dielektrično okruženje (kao što je u fotonskim kristalima), što nameće dalje stepene složenosti. Precizan mikroskopski opis pruža jednažba poluvodičke luminiscencije.
Idealne strukture kvantnih bunara Idealna poluprovodnička struktura kvantni bunar bez defekata je koristan modelski sistem za ilustraciju osnovnih procesa u tipskim PL eksperimentima. Diskusija se zasniva na rezultatima objavljenim u Klingshirn (2012)<)Klingshirn, Claus F. (2012). Semiconductor Optics. Springer. . and Balkan (1998).Balkan, Naci (1998). Hot Electrons in Semiconductors: Physics and Devices. Oxford University Press. .
Struktura fiktivnog modela za ovu diskusiju ima dva ograničena kvantizirana elektronika i dvije rupe subtraka, e1, e2, odnosno h1, h2. Linearni apsorpcioni spektar takve strukture pokazuje ekscitonsku rezonanciju prvog (e1h1) i drugog podopsega kvantnog bunara (e2, h<sub>2</ sub>), kao i apsorpciju iz odgovarajućih stanja kontinuuma i od barijere.
Fotoekscitacija Općenito, razlikuju se tri različita uslova pobuđivanja: rezonantni, kvazirezonantni i nerezonantni. Za rezonantnu pobudu, centralna energija lasera odgovara najnižoj ekscitonskoj rezonanciji kvantnog bunara. U sistem nosača se ne ubrizgava nikakva ili samo zanemarljiva količina viška energije. Za ove uslove, koherentni procesi značajno doprinose spontanoj emisiji.Kira, M.; Jahnke, F.; Hoyer, W.; Koch, S. W. (1999). "Quantum theory of spontaneous emission and coherent effects in semiconductor microstructures". Progress in Quantum Electronics 23 (6): 189–279. doi:10.1016/S0079-6727(99)00008-7. Raspad polarizacije direktno stvara eksitone. Detekcija PL je izazovna za rezonantnu ekscitaciju. jer je teško razlikovati doprinose od pobuđivanja, tj. zalutalu svjetlost i difuzno raspršivanje od hrapavosti površine. Prema tome, pjega i rezonantno Rayleighovo rasijanje su uvijek superponirani na nekoherentnu emisiju.
U slučaju nerezonantne pobude, struktura se pobuđuje sa nešto viška energije. Ovo je tipska situacija koja se koristi u većini PL eksperimenata jer se energija pobude može razlikovati pomoću spektrometra ili optičkog filtera. Treba razlikovati kvazirezonantnu pobudu i pobuđivanje barijere.
Za kvazirezonantne uslove, energija pobude je podešena iznad osnovnog stanja, ali još uvek ispod barijere apsorpcione ivice, naprimjer, u kontinuum prvog potpojasa. Propadanje polarizacije za ove uslove je mnogo brže nego za rezonantnu pobudu i koherentni doprinosi emisiji kvantnog bunara su zanemarljivi. Početna temperatura sistema nosača je značajno viša od temperature rešetke, zbog viška energije ubrizganih nosača. Konačno, u početku se stvara samo plazma elektronskih rupa. Zatim slijedi formiranje eksitona.Kaindl, R. A.; Carnahan, M. A.; Hägele, D.; Lövenich, R.; Chemla, D. S. (2003). "Ultrafast terahertz probes of transient conducting and insulating phases in an electron–hole gas". Nature 423 (6941): 734–738. doi:10.1038/nature01676.Chatterjee, S.; Ell, C.; Mosor, S.; Khitrova, G.; Gibbs, H.; Hoyer, W.; Kira, M.; Koch, S. W.; Prineas, J.; Stolz, H. (2004). "Excitonic Photoluminescence in Semiconductor Quantum Wells: Plasma versus Excitons". Physical Review Letters 92 (6). doi:10.1103/PhysRevLett.92.067402.
U slučaju pobuđivanja barijere, početna distribucija nositelja u kvantnom bunaru jako zavisi od rasipanja nositelja između barijere i bunara.
Relaksacija U početku, lasersko svjetlo inducira koherentnu polarizaciju u uzorku, tj. prijelazi između stanja elektrona i stanja rupe osciliraju sa laserskom frekvencijom i fiksnom fazom. Polarizacija se tipski defazira na vremenskoj skali ispod 100 fs u slučaju nerezonantne pobude zbog ultrabrzog kulonovskog i fononskog rasijanja.Arlt, S.; Siegner, U.; Kunde, J.; Morier-Genoud, F.; Keller, U. (1999). "Ultrafast dephasing of continuum transitions in bulk semiconductors". Physical Review B 59 (23): 14860–14863. doi:10.1103/PhysRevB.59.14860.
Defaziranje polarizacije dovodi do stvaranja populacija elektrona i rupa u vodljivom i valentnom pojasu. Životni vijek populacija nositelja je prilično dug, ograničen radijacijskom i neradijativnom rekombinacijom kao što je Ogerova rekombinacija. Tokom ovog životnog vijeka, dio elektrona i rupa može formirati eksitone, a o ovoj temi se još uvijek kontroverzno raspravlja u literaturi. Brzina formiranja zavisi od eksperimentalnih uslova, kao što su temperatura rešetke, gustina pobude, kao i od općih parametara materijala, naprimer, jačine Kulonove interakcije ili energije vezivanja eksitona.
Karakteristične vremenske skale su u rasponu od stotina pikosekundi u GaAs; izgleda da su mnogo kraće u širokopojasnim poluvodičima.Umlauff, M.; Hoffmann, J.; Kalt, H.; Langbein, W.; Hvam, J.; Scholl, M.; Söllner, J.; Heuken, M.; Jobst, B.; Hommel, D. (1998). "Direct observation of free-exciton thermalization in quantum-well structures". Physical Review B 57 (3): 1390–1393. doi:10.1103/PhysRevB.57.1390.