هو أحد الأساليب الطيفية المهمة جدًا لتوصيف خصائص المواد، خصوصًا في علوم المواد وأشباه الموصلات والكيمياء الفيزيائية.
ما هو الفوتولومينسانس؟
كلمة “لومينسانس” تعني انبعاث الضوء من مادة دون احتراق أو حرارة عالية.
عندما يحدث هذا الانبعاث نتيجة امتصاص الضوء (فوتونات)، يسمى “فوتولومينسانس (Photoluminescence)”، وهو نوع من الانبعاثات الضوئية.
الفلورسانس (Fluorescence) والفسفورسانس (Phosphorescence) هما نوعان من الفوتولومينسانس.
كيف يحدث الفوتولومينسانس؟
عند تعرض المادة (سواء كانت صلبة أو سائلة أو جزيئية) للضوء، تمتص فوتونات ذات طاقة معينة، مما يؤدي إلى إثارة الإلكترونات:
في الجزيئات: ينتقل الإلكترون من أعلى مدار جزيئي مشغول (HOMO) إلى أدنى مدار جزيئي غير مشغول (LUMO).
في المواد الصلبة مثل أشباه الموصلات: ينتقل من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل.
هذه العملية تُسمى الامتصاص الضوئي (Absorption).
بعد فترة وجيزة، يعود الإلكترون إلى حالته الأصلية ويُصدر فوتونًا جديدًا.
إذا كان هذا الانبعاث فوريًا تقريبًا، يُسمى فلورسانس، وإذا تأخر الانبعاث بسبب تغيّر حالة دوران الإلكترون (spin)، يُسمى فسفورسانس.
—
أنواع الفوتولومينسانس:
1. الفلورسانس (Fluorescence):
انبعاث سريع للضوء (في حدود نانوثانية) يحدث عند عودة الإلكترون من حالة مفردة مثارة (Singlet Excited State) إلى حالة مفردة أرضية، دون تغيّر في دوران الإلكترون (Spin).
2. الفسفورسانس (Phosphorescence):
انبعاث أبطأ بكثير (من ميلي ثانية إلى دقائق)، نتيجة انتقال الإلكترون من حالة ثلاثية (Triplet State) إلى حالة مفردة (Singlet State). هذا الانتقال يتطلب “العبور بين الأنظمة” (Intersystem Crossing)، وهو عملية محظورة كموميًا، ولهذا فهو بطيء.
—
الفرق بين الفلورسانس والفسفورسانس:
الخاصية الفلورسانس الفسفورسانس
نوع الحالة Singlet → Singlet Triplet → Singlet
دوران الإلكترون لا يتغير (معاكس) يتغير (متوازي)
زمن الانبعاث نانوثانية تقريبًا ميلي ثانية إلى دقائق
الاحتمالية الكمومية مسموحة كموميًا محظورة كموميًا (ممنوعة)
—
التطبيقات العلمية للفوتولومينسانس:
تحديد فجوة الطاقة (Band Gap) بدقة عالية باستخدام العلاقة:
E = \frac{hc}{\lambda}
تحليل نقاء المواد البلورية وتحديد العيوب البلورية أو الشوائب.
توصيف العمليات غير الإشعاعية (Non-radiative Recombination) التي تؤثر سلبًا على كفاءة الأجهزة مثل الخلايا الشمسية وأجهزة LED.
دراسة الجزيئات العضوية وأشباه الموصلات العضوية وتفاعلاتها مع الضوء.