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从电子到光子：光致发光的神奇过程是如何运作的？
光致发光（Photoluminescence，简称PL）是一种物质在吸收光子（电磁辐射）后释放光线的现象。这种光的发射是在材料的电子被光子激发至更高能量状态后发生的，从而展现出光致发光的魅力。该过程中，吸收和发射之间的时间差异可以从短短的飞秒到数毫秒不等，这使得光致发光成为探索和理解物质性质的重要工具。
「光致发光的过程揭示了电子从被激发状态回到基态时的能量转换。」
光致发光可以根据多种参数进行分类，比如激发光子的能量与产生的光子的能量之间的关系。其中，显著的模式是共振激发，它是利用特定波长的光子迅速发射等能量光子。这种过程通常被称为共振萤光。在气体或溶液中，这一过程主要涉及电子，但对化学物质的内部能量转换没有显著影响。
在晶体无机半导体中，次级发射过程可能会变得相当复杂，包含了相干的贡献如共振瑞利散射，以及无相干的贡献如焦耳重组。在这些复杂现象中，涉及到的电子-电洞偶的辐射重组，尤其在固体中变得更加重要。
「在化学相关学科中，光致发光的快速过程被称为萤光，而当过程较慢且电子经过不同的量子态时则被称为磷光。」
其中，萤光通常是一种快速过程，然而在发射的光子中，一部分能量会被消耗，因此重新发射的光子通常能量较低，这种现象称为红移。而磷光过程则更加缓慢，因为电子在激发后会进入具有不同自旋多重度的状态，通常是三重态。在这种情况下，电子回到低能态的过程是量子力学禁止的，这导致发射过程持续数分钟甚至数小时，这解释了「黑暗中发光」的现象。
光致发光还是测量半导体如氮化镓（GaN）和磷化铟（InP）纯度和晶体质量的重要工具。透过时间解析光致发光（Time-Resolved Photoluminescence，TRPL）技术，研究人员可以量测光致发光随时间衰减的情况，进而评估III-V族半导体的少数载流子寿命。
在一次典型的PL实验中，半导体被光源激发，所用光子的能量通常高于材料的能隙能量。当光子被吸收后，将会产生电子和电洞，这些载流子接下来进行能量和动量的放松，最终以发射光子的形式重新结合。
「光致发光过程的特征是高度敏感于材料中的内部电场以及介电环境，这样的影响进一步增加了过程的复杂性。」
理想的量子井结构成为展现光致发光基本过程的模型系统，能够帮助科学家理解不同的激发条件如何影响光的产生。共振激发是这一过程中最具代表性的现象之一，这表明相干过程将在激发后对自发发射做出显著贡献。通过这些研究，科学家不断地对材料科学和光电技术进行探索，期望能够发现新的应用潜力和潜在的突破。
在探索材料特性时，实验方法如光致发光光谱技术被广泛应用，其快速、无损方法提供了一种研究不同尺寸材料光学和电子特性的优选方案。特别在太阳能电池吸收材料的评估中，光致发光技术能对材料的最大电压产生进行预测。
随着科学技术的进步，对光致发光的理解也随之深化。研究者们不断在提升材料的性能和应用效能方面不懈努力，探索其在未来光电科技中的潜在影响。未来，随着科技的进步，这种自然现象还会在多大程度上为我们提供创新的解决方案呢？
