12.10 : Fotoluminescenza: fluorescenza e fosforescenza

La fotoluminescenza è un processo in cui una molecola assorbe energia luminosa e la riemette sotto forma di luce. Questo fenomeno si verifica quando una sostanza assorbe i fotoni, promuovendo i suoi elettroni a stati eccitati a livello energetico più elevato, seguiti da un processo di rilassamento in cui gli elettroni tornano ai loro livelli energetici originali dello stato fondamentale ed emettono luce. La fotoluminescenza è ampiamente osservata in vari materiali, inclusi i semiconduttori e i composti organici e inorganici.

Una coppia di elettroni in uno stato di spin singoletto occupa lo stesso stato fondamentale elettronico con spin opposti, mentre uno stato eccitato tripletto si verifica quando lo spin di un elettrone non è più accoppiato con quello dello stato fondamentale. Esistono due tipi principali di fotoluminescenza in base agli stati di spin degli elettroni coinvolti: la fluorescenza e la fosforescenza.

La fluorescenza è un tipo di fotoluminescenza caratterizzata da un rapido tempo di decadimento, che, di solito, varia da nanosecondi a microsecondi. Nella fluorescenza, gli stati eccitati e quelli fondamentali hanno la stessa molteplicità di spin elettronico, il che significa che lo spin elettronico rimane invariato durante la transizione. Il processo coinvolge delle transizioni singoletto-singoletto, in cui sia lo stato eccitato che quello fondamentale sono stati di singoletto in cui tutti gli elettroni sono accoppiati.

La fosforescenza è un altro tipo di fotoluminescenza caratterizzata da tempi di decadimento significativamente più lunghi, che vanno da millisecondi a minuti. Nella fosforescenza, gli stati eccitati e fondamentali hanno diverse molteplicità di spin elettronico. Il processo coinvolge delle transizioni tripletto-singoletto, in cui lo stato eccitato è uno stato di tripletto (due elettroni spaiati con spin paralleli) e lo stato fondamentale è uno stato di singoletto. Queste transizioni sono "spin-proibite", il che significa che lo spin elettronico deve cambiare durante la transizione.

Sia la fluorescenza che la fosforescenza possono essere usate in varie applicazioni, come i sensori ottici, i bioimaging e i diodi organici a emissione di luce. Gli spettri di fotoluminescenza vengono registrati misurando l'intensità della radiazione emessa in relazione alla lunghezza d'onda di eccitazione o alla lunghezza d'onda di emissione. Gli spettri di eccitazione vengono ottenuti monitorando l'emissione a una lunghezza d'onda fissa variando le lunghezze d'onda di eccitazione. Gli spettri di emissione si ottengono utilizzando una lunghezza d'onda fissa per eccitare le molecole.