pienoiskuva| Esimerkki fosforesenssista alt=|pienoiskuva|Yksivärinen tietokonenäyttö alt=|pienoiskuva|Reikämaskikuvaputken loisteaineet
Loisteaine on aine, jossa esiintyy luminesenssi-ilmiö. Loisteaineita ovat sekä fosforenssiaineet, joiden valovoima heikkenee hitaasti (> 1 ms), että fluoresenssiaineet, joissa valoemissio vaimenee kymmenissä nanosekunneissa. Fosforenssiaineita käytetään tutkanäytöissä ja pimeässä hohtavissa materiaaleissa, kun taas fluoresenssiaineet ovat yleisiä kuvaputkissa, plasmanäytöissä, loisteputkissa, antureissa ja valkoisissa loistediodeissa.
Loisteaineet ovat usein siirtymäalkuaineiden tai harvinaisten maametallien yhdisteitä. Niiden yleisimpiä käyttökohteita ovat kuvaputket ja loisteputket. Kuvaputkien loisteaineet standardisoitiin toisen maailmansodan alussa, ja ne merkittiin P-kirjaimella ja sen perässä olevalla luvulla.
Alkuaine fosfori on saanut nimensä siitä, että vapaana alkuaineena, valkoisena fosforina esiintyessään se säteilee valoa, joka kuitenkin syntyy Kemiluminesenssilla. Tämän vuoksi fosforia ei lueta loisteaineisiin kuuluvaksi.
Kiderakenteeltaan epähomogeeniset epäorgaaniset loisteaineet tehdään yleensä lisäämällä vähäinen määrä lisäaineita, aktivaattoreiksi kutsuttuja epäpuhtauksia. Epäpuhtauksina voidaan joskus harvoin käyttää dislokaatioita tai muita kidevirheitä. Säteily-ytimen säteilyn aallonpituus riippuu atomista itsestään ja ympäröivästä kiderakenteesta.
Epäorgaanisten aineiden tuikeprosessi johtuu kiteiden sähköisestä vyörakenteesta. Saapuva hiukkanen voi virittää elektronin valenssivyöltä joko johtavuusvyölle tai eksitonivyölle, joka sijaitsee hieman johtavuusvyön alapuolella ja on energia-aukon verran erillään valenssivyöstä. Tämä jättää liittyvän aukon taakseen, valenssivyölle. Epäpuhtaudet luovat sähköisiä tasoja kiellettyyn aukkoon. Eksitonit ovat löyhästi sidoksissa elektroni-aukkopareihin jotka vaeltavat kidehilan läpi kunnes epäpuhtauskeskukset sieppaavat ne kokonaan. Sen jälkeen jälkimmäisen viritystila purkautuu nopeasti, ja se lähettää tuikevaloa (nopean osan). Epäpuhtausaktivaattorit valitaan epäorgaanisten tuikelevyjen tapauksessa yleensä siten, että aineen säteilemä valo on näkyvän valon alueella tai lähellä UV-säteilyä, jolloin valonvahvistimet ovat tehokkaita. Johtavuusvyön elektronien yhdistämät aukot ovat riippumattomia jälkimmäisestä. Epäpuhtauskeskukset, jotka ovat virittyneenä metastabiilissa tilassa eivätkä eksitonien saavutettavissa, sieppaavat nämä aukot ja elektronit peräkkäin. Metastabiilien epäpuhtauksien viivästynyt viritystilan purkautuminen, jonka hidastus johtuu riippuvuudesta matalan todennäköisyyden kiellettyihin mekanismeihin, lähettää taas tuikevaloa (hitaan osan).
Loisteaineen huononeminen Monien loisteaineiden säteilyteho pienenee vähitellen monista syistä. Aktivaattoreiden valenssi voi muuttua (yleensä hapettumisen vuoksi), kidehila hajota, atomit (usein aktivaattorit) diffundoitua aineen läpi, pinnalla voi tapahtua kemiallisia reaktioita ympäristön kanssa, minkä seurauksena säteilyteho pienenee tai pinnalle muodostuu joko poistuvaa tai säteillyttä energiaa absorboiva kerros.
Elektroluminesenssilaitteiden huononeminen riippuu käyttövirran taajuudesta, luminanssitasosta ja lämpötilasta; myös kosteus lyhentää loisteaineen käyttöikää merkittävästi.
Kovemmat veteen liukenemattomat aineet, joilla on korkea sulamispiste, eivät yhtä herkästi menetä luminesenssiaan käytön aikana.
Esimerkkejä:
Plasmanäytöissä käytettävä BaMgAl10O17:Eu2+-loisteaine (BAM) altistuu seostusaineen hapettumiselle pakkaamisen aikana. Tähän liittyy kolme mekanismia: happiatomien imeytyminen kiteen pinnan hapen tyhjiin sijoihin, Eu(II):n diffuusio johtavaa kerrosta myöten ja elektroninsiirto Eu(II):sta absorboituneisiin happiatomeihin, mikä johtaa Eu(III):n muodostumiseen, jolloin emissiivisyys vastaavasti vähenee. Ohut pinnoite alumiinifosfaattia tai lantaani(III)fosfaattia on tehokas tapa luoda vallikerros, joka estää hapen pääsyn BAM-loisteaineeseen, mutta se heikentää loisteaineen tehokkuutta.Lakshmanan, p. 171. Vedyn additio, joka toimii pelkistimenä, plasmanäytön argoniin pidentää merkittävästi BAM:Eu2+loisteaineen kestoikää pelkistämällä Eu(III)-atomit takaisin Eu(II)-atomeiksi. Y2O3:Eu-loisteaineet muodostuvat epä-fosforesenssiseksi kerrokseksi pinnalle, kun niitä pommitetaan elektroneilla ja mukana on happea. Tällöin elektroniaukkoparit jälleenyhtyvät säteilemättä pinnan tilojen kautta. ZnS:Mn, jota käytetään vaihtovirtaohutkalvoelektroluminesenssilaitteissa (ACTFEL), heikkenee pääosin syvän tason loukkujen muodostumisen johdosta, kun vesimolekyylit reagoivat seostusaineen kanssa; loukut toimivat säteilyttömän jälleenyhtymisen keskuksina. Loukut vahingoittavat myös kidehilaa. Loisteaineen vanheneminen johtaa laskevaan kirkkauteen ja kasvaneeseen kynnysjännitteeseen. Kuvaputki- ja kenttäemissionäytöissä käytettävät sinkkisulfidiin perustuvat loisteaineet heikkenevät pinnan viritystilan, coulombisen vahingon, sisäisen sähkövarauksensa ja lämpökarkaisun vuoksi. Pinnan elektronien kiihdyttämät reaktiot ovat suoraan yhteydessä kirkkauden menetykseen. Elektronit hajottavat ympäristönsä epäpuhtauksia, sitten reaktiivinen happi hyökkää pinnalle ja muodostaa hiilimonoksidia, hiilidioksidia, hiilijäämiä, säteilemätöntä sinkkioksidia ja sinkkisulfaattia. Reaktiivinen vety poistaa rikin pinnalta muodostaen vetysulfidia ja säteilemättömän sinkkikerroksen. Rikki voi poistua myös rikkioksideina.Lakshmanan, pp. 51, 76 ZnS ja CdS -loisteaineet heikkenevät metalli-ionien sieppaamien elektronien aiheuttaman pelkistymisen vuoksi. M2+-ionit pelkistyvät M+:ksi, sitten kaksi M+:aa vaihtavat elektronin ja muodostavat M2+:n ja neutraalin atomin. Pelkistyneen metallin voi nähdä loisteaineen kerroksen tummentumana. Tummentuma (ja kirkkauden menetys) on verrannollinen loisteaineen elektroneille altistumiselle, ja sen voi havaita joiltakin kuvaputkilta, jotka ovat näyttäneet samaa kuvaa (esim. päätteen kirjautumisruutua) pitkän aikaa. Europium(II)-seostetut alkaliset maa-aluminaatit heikkenevät värikeskusten muodostumisen vuoksi. Y2SiO5:Ce3+ heikkenee Ce3+-ioneiden luminesenssikadon vuoksi. Zn2SiO4:Mn (P1) heikkenee elektronipommituksen aiheuttaman hapen desoption takia. Oksidiloisteaineet voivat heiketä nopeasti fluoridi-ionien läsnä ollessa. Niitä on jäänyt jäljelle, kun sulate on poistettu loisteainesynteesistä. Löyhästi pakatut loisteaineet, esim. kun silikageelin ylijäämä (muodostunut kaliumsilikaatin sideaineesta) on nykytasoa, ovat taipuvaisia ylikuumenemaan paikallisesti, koska niiden lämmönjohtavuus on huono. Esim. InBO3:Tb3+ on altis heikkenemisen kiihtymiselle korkeissa lämpötiloissa.
Aineet Loisteaineet valmistetaan yleensä sopivista isäntäaineista lisäämällä aktivaattoria. Parhaan tunnetut tyypit ovat kuparilla aktivoitu sinkkisulfidi ja hopealla aktivoitu sinkkisulfidi.
Isäntäaineet ovat tavallisesti oksideja, nitridejä, oksinitridejä, sulfideja, selenidejä, halideja tai sinkki-, kadmium-, mangaani-, alumiini tai piisilikaatteja tai muiden harvinaisten maametallien silikaatteja. Aktivaattorit pidentävät emissioaikaa eli jälkiloistetta. Muita aineita, kuten nikkeliä, voidaan vuorostaan käyttää jälkihehkun sammuttamiseen ja loisteaineen säteilyn heikkenemisajan lyhentämiseen.
Monet loisteainejauheet valmistetaan matalassa lämpötilassa, kuten sooligeeliprosessilla, ja ne vaativat yleensä jälkihehkutuksen noin tuhannen celsiusasteen lämpötilassa, joka on liian korkea monille käyttökohteille. Sopiva kasvuprosessin optimointi mahdollistaa kuitenkin hehkutuksen välttämisen.
Loisteputkissa käytettävät loisteaineet vaativat monivaiheisen tuotantomenetelmän, jonka yksityiskohdat vaihtelevat loisteaineesta riippuen. Irtoaineet täytyy työstää, jotta saavutetaan haluttu hiukkasten suuruusluokka, koska suurista hiukkasista tulee huonolaatuinen pinnoite putkeen, ja pienet hiukkaset tuottavat vähemmän valoa ja heikkenevät nopeammin. Prosessin olosuhteita pitää säännellä loisteaineen erottamisen aikana, jotta ehkäistään loisteaineen aktivaattoreiden hapettumista ja prosessiastioiden pilaantumista. Loisteaine voidaan pestä työstön jälkeen aktivaattorijäämien poistamiseksi. Haihtuvia aineita ei saa päästää poistumaan työstön aikana. Loisteputkien valmistajat ovat muuttaneet loisteaineiden koostumusta poistaakseen aiemmin käytettyjä myrkillisiä aineita kuten berylliumia, kadmiumia ja talliumia.Kane, Raymond and Sell, Heinz (2001) Revolution in lamps: a chronicle of 50 years of progress, 2nd ed. The Fairmont Press. . Chapter 5 extensively discusses history, application and manufacturing of phosphors for lamps.
Loisteaineiden yleisesti kerrotut ominaisuudet ovat emissiohuipun aallonpituus (nanometreinä, tai vaihtoehtoisesti valkoisten seosten värilämpötila kelvineinä), huipun leveys (nanometreinä 50 % intensiteetillä) ja vaimenemisaika (sekunteina).
Käyttökohteet
Valaistus Loisteainekerrokset tuottavat suurimman osan loisteputkien tuottamasta valosta, ja niitä käytetään myös tasapainottamaan monimetallilamppujen tuottamaa valoa. Neonkilvissä käytetään loisteainekerroksia tuottamaan erivärisiä valoja. Mm. lentokoneiden kojetauluissa käytettävissä elektroluminesenssinäytöissä käytetään loisteainekerrosta tuottamaan häikäisemätön valaisu tai numeerisina ja graafisina näyttöinä. Valkoisissa loistediodivaloissa on sininen tai ultravioletti säteilijä ja loisteainekerros, joka säteilee pidempiä aallonpituuksia, jolloin saadaan kokonainen näkyvän valon spektri. Keskittämättömiä ja poikkeuttamattomia katodisädeputkia käytettiin stroboskooppivaloina vuodesta 1958 alkaen.
Loisteaineita hyödyntävä lämpötilan mittaus Loisteaineita hyödyntävässä lämpötilan mittauksessa hyödynnetään tiettyjen loisteaineiden lämpötilariippuvuutta. Tätä varten loisteainepinnoite levitetään tutkittavan kohteen pinnalle, ja emission vaimenemisaika on tavallisesti ominaisuus, joka ilmaisee lämpötilan. Koska valaisulaitteet ja opsiset ilmaisimet voidaan sijoittaa siten, että ne voidaan poistaa, menetelmää voidaan käyttää liikkuvilla pinnoilla kuten suurnopeusmoottoreiden pinnoilla. Loisteainetta voidaan levittää myös valokuidun päähän optiseksi/analogiseksi lämpöpariksi.
Pimeässä hohtavat lelut
Kalsiumsulfidin ja strontiumsulfidin yhdiste, jossa on vismuttia aktivaattorina eli (Ca,Sr)S:Bi tuottaa sinistä valoa jopa 12 tunnin loisteajalla; punainen ja oranssi ovat sinkkisulfidin kaavan muunnelmia. Punaista valoa voidaan saada strontiumsulfidista. Sinkkisulfidi, jossa on viiden miljoonasosan pitoisuus kupariaktivaattoria, on yleisin pimeässä hohtavissa leluissa ja tuotteissa käytettävä loisteaine. Sitä kutsutaan myös GS-loisteaineeksi. Sinkkisulfidin ja kadmiumsulfidin seoksen säteilemän valon väri riippuu aineiden suhteesta; GdS-pitoisuuden kasvattaminen muuttaa väriä pidempien aallonpituuksien suuntaan. Sen loisteaika on 1–10 tuntia. Strontiumaluminaatti, jossa on aktivaattorina europiumia, SrAl2O4:Eu(II):Dy(III), on uudempi aine, jonka kirkkaus on suurempi ja loisteaika huomattavasti pidempi. Se tuottaa vihreää ja vedensävyistä valoa: vihreän kirkkaus on suurin ja vedensävyisen loisteaika pisin. Kyseinen loisteaine on noin 10 kertaa kirkkaampaa, kauemmin hohtavaa ja kalliimpaa kuin ZnS:Cu. Strontiumaluminaatin viritystilan aallonpituus vaihtelee välillä 200–450 nm. Vihreän version säteilemä aallonpituus on 520 nm, sinivihreän 505 nm ja sinisen 490 nm. Myös strontiumaluminaatilla voi tuottaa suurempia aallonpituuksia, mutta se heikentää kirkkautta.
Näissä käyttökohteissa loisteaine joko lisätään suoraan lelujen muovaamiseen käytettävään muoviin tai sekoitetaan sideaineeseen, jolloin sitä voidaan käyttää maalina.
ZnS:Cu-loisteainetta käytetään pimeässä hohtavissa ihovoiteissa, joita käytetään Halloween-ehosteissa. Loisteaineen pysyvyys kasvaa tavallisesti samalla kun aallonpituus kasvaa. Katso myös valotikku, joka on kemiluminesenssiin perustuva hohtava tuote.
Postimerkit