フォトルミネセンス

フォトルミネセンス（Photoluminescence, PL）は、物質が光（フォトン）を吸収した後、その吸収したエネルギーを光として再放出する現象を指します。この現象は、単なる光の反射とは異なり、物質内部でのエネルギー変換プロセスを伴います。具体的には、物質が特定の波長の光を吸収すると、内部の電子がより高いエネルギー状態である励起状態へと遷移します。この励起状態は不安定であるため、電子は元の安定な状態（基底状態）に戻ろうとします。その際、過剰なエネルギーを光として放出するのです。この放出される光が、フォトルミネセンスとして観測されます。

フォトルミネセンスの代表的な例としては、蛍光や燐光が挙げられます。蛍光は、励起状態からの遷移が非常に速く、光を照射している間だけ発光する現象です。一方、燐光は、励起状態から基底状態への遷移が遅く、光照射を止めた後もしばらく発光が続く現象です。これらの現象は、物質の種類や構造によって発光する波長や強度が異なるため、物質の特性を調べるための重要な手段として利用されています。

半導体においても、フォトルミネセンスは重要な現象です。半導体に禁制帯幅よりも高いエネルギーを持つ光を照射すると、電子と正孔の対が過剰に生成されます。これらの過剰な電子と正孔は、熱平衡状態に戻ろうとする際に再結合し、その過程で光を放出します。この光の波長や強度は、半導体の種類や内部の欠陥、不純物の状態によって変化します。そのため、フォトルミネセンスは半導体材料の品質評価や特性解析に利用されています。

ただし、半導体を用いた発光デバイスであるLED（発光ダイオード）は、フォトルミネセンスではなく、エレクトロルミネセンスという現象を利用しています。エレクトロルミネセンスは、電流を流すことによって発光する現象であり、フォトルミネセンスとは異なるメカニズムで発光します。また、太陽電池は、光を吸収して電気エネルギーに変換する光起電力効果を利用しており、これもフォトルミネセンスとは異なる現象です。したがって、半導体におけるフォトルミネセンスは、デバイスの動作原理そのものではなく、むしろ材料の評価手法としての側面が強いと言えます。

フォトルミネセンスは、様々な分野で応用されています。例えば、蛍光顕微鏡では、蛍光色素で標識した細胞や組織を観察する際に、フォトルミネセンスが利用されています。また、有機ELディスプレイなど、発光材料を用いたデバイスの開発にも、フォトルミネセンスの知識が不可欠です。さらに、材料科学においては、フォトルミネセンスの分析によって、新材料の特性評価や欠陥解析を行うことが可能になります。フォトルミネセンスは、光と物質の相互作用を理解し、先端技術を支える上で、非常に重要な役割を果たしていると言えるでしょう。

関連する用語として、以下のようなものがあります。

蛍光: 物質が光を吸収し、比較的速やかに光を放出する現象。
発光: 物質が光を出す現象全般。
自家蛍光: 生体組織がもともと持っている蛍光。
ストークスシフト: 吸収した光と放出する光の波長差。
蛍光染料: 蛍光を発する色素。
蛍光顔料: 蛍光を発する顔料。
緑色蛍光タンパク質: 生物発光タンパク質の一種。
半導体: 電気伝導性が金属と絶縁体の中間の物質。

もう一度検索