การเปลี่ยนแปลงสโตกส์
การเลื่อนของสโตกส์คือความแตกต่างระหว่างตำแหน่ง (แสดงในรูปของพลังงานเลขคลื่นหรือความถี่ ) ของ ค่าสูงสุด ของแถบสเปกตรัมของการดูดกลืนและการปล่อยสเปกตรัม ( ฟลูออเรสเซนส์และรามานเป็นสองตัวอย่าง) ของการเปลี่ยนผ่านทางอิเล็กตรอนเดียวกัน[ 1 ]ตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ชาวไอริชจอร์จ กาเบรียล สโตกส์[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
เมื่อระบบ (ไม่ว่าจะเป็นโมเลกุลหรืออะตอม ) ดูดซับโฟตอนมันจะได้รับพลังงานและเข้าสู่สถานะกระตุ้นระบบสามารถกลับสู่สภาวะปกติได้โดยการปล่อยโฟตอน การเลื่อนสโตกส์เกิดขึ้นเมื่อพลังงานของโฟตอนที่ปล่อยออกมาต่ำกว่าพลังงานของโฟตอนที่ถูกดูดซับ ซึ่งแสดงถึงความแตกต่างของพลังงานระหว่างโฟตอนทั้งสอง
การเลื่อนของสโตกส์เป็นผลมาจากปรากฏการณ์หลักสองประการ ได้แก่การผ่อนคลายหรือการกระจายตัวของการสั่นสะเทือนและการจัดเรียงตัวใหม่ของตัวทำ ละลาย ฟลูออโรฟอร์เป็นส่วนหนึ่งของโมเลกุลที่มีโมเมนต์ไดโพลที่แสดงการเรืองแสง เมื่อฟลูออโรฟอร์เข้าสู่สถานะกระตุ้น โมเมนต์ไดโพลของมันจะเปลี่ยนแปลง แต่โมเลกุลของตัวทำละลายโดยรอบไม่สามารถปรับตัวได้เร็วขนาดนั้น เฉพาะหลังจากการผ่อนคลายการสั่นสะเทือนเท่านั้นที่โมเมนต์ไดโพลของพวกมันจะเรียงตัวใหม่[ 5 ]
ค่าการเลื่อนของสโตกส์สามารถแสดงในหน่วยความยาวคลื่นได้เช่นกัน แต่หน่วยนี้มีความหมายน้อยกว่าหน่วยพลังงาน เลขคลื่น หรือความถี่ เนื่องจากขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของการดูดกลืน ตัวอย่างเช่น ค่าการเลื่อนของสโตกส์ 50 นาโนเมตรจากการดูดกลืนที่ 300 นาโนเมตร จะมีค่าพลังงานมากกว่าค่าการเลื่อนของสโตกส์ 50 นาโนเมตรจากการดูดกลืนที่ 600 นาโนเมตร
การเรืองแสงของสโตกส์
การเรืองแสงแบบสโตกส์คือการปล่อยโฟตอนที่มีความยาวคลื่นยาวกว่า (ความถี่หรือพลังงานต่ำกว่า) โดยโมเลกุลที่ดูดซับโฟตอนที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่า (ความถี่หรือพลังงานสูงกว่า) [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]ทั้งการดูดซับและการแผ่รังสี (การปล่อย) พลังงานเป็นลักษณะเฉพาะของโครงสร้างโมเลกุล หากวัสดุมีช่องว่างแถบพลังงานโดยตรงในช่วงแสงที่มองเห็นได้ แสงที่ส่องลงมาจะถูกดูดซับ ซึ่งจะกระตุ้นอิเล็กตรอนให้อยู่ในสถานะพลังงานที่สูงขึ้น อิเล็กตรอนจะอยู่ในสถานะกระตุ้นประมาณ 10 −8วินาที ตัวเลขนี้แตกต่างกันไปหลายอันดับ ขึ้นอยู่กับตัวอย่าง และเรียกว่าอายุการเรืองแสงของตัวอย่าง หลังจากสูญเสียพลังงานไปเล็กน้อยผ่านการผ่อนคลายแบบสั่น โมเลกุลจะกลับสู่สถานะพื้นฐาน และพลังงานจะถูกปล่อยออกมา
การเลื่อนแอนตี้สโตกส์
หากโฟตอนที่ปล่อยออกมามีพลังงานมากกว่าโฟตอนที่ถูกดูดซับ ความแตกต่างของพลังงานนี้เรียกว่าการเลื่อนแอนติสโตกส์ [ 9 ] พลังงานส่วนเกินนี้มาจากการกระจายตัวของโฟนอน ความร้อน ในโครงผลึก ทำให้ผลึกเย็นลงในกระบวนการ การเลื่อนแอนติสโตกส์อาจเกิดจากกระบวนการทำลายล้างแบบทริปเล็ต-ทริปเล็ต ส่งผลให้เกิดการก่อตัวของสถานะซิงเกล็ตที่สูงขึ้นซึ่งปล่อยพลังงานที่สูงขึ้น
การประยุกต์ใช้การเลื่อนของสโตกส์และการเลื่อนแอนติสโตกส์
สเปกโทรสโกปีรามาน
ในสเปกโทรสโกปีรามานเมื่อโมเลกุลถูกกระตุ้นด้วยรังสีตกกระทบ มันจะเกิดการเลื่อนสโตกส์ (Stokes shift) โดยปล่อยรังสีออกมาที่ระดับพลังงานต่ำกว่ารังสีตกกระทบ การวิเคราะห์ความเข้มและความถี่ของการเลื่อนสเปกตรัมจะให้ข้อมูลที่มีค่าเกี่ยวกับโหมดการสั่นของโมเลกุล ทำให้สามารถระบุพันธะเคมี หมู่ฟังก์ชัน และโครงสร้างโมเลกุลได้
อิตเทรียมออกซีซัลไฟด์
อิตเทรียม ออกซีซั ไฟ ด์ ( Y2O2S )ที่เจือด้วยแกโดลิเนียมออกซีซัลไฟด์ Gd2O2S เป็นสีแอนติสโตกส์ที่ใช้กันทั่วไปในอุตสาหกรรมโดยดูดซับในช่วงอินฟราเรดใกล้และปล่อยแสงในช่วงสเปกตรัมที่มองเห็นได้[ 10 ]วัสดุผสมนี้มักถูกนำไปใช้ในการใช้งานเรืองแสง โดยดูดซับโฟตอนพลังงานต่ำและปล่อยโฟตอนพลังงานสูง คุณสมบัติเฉพาะนี้ทำให้มีคุณค่าอย่างยิ่งในด้านเทคโนโลยีต่างๆ รวมถึงการพิมพ์เพื่อความปลอดภัย มาตรการป้องกันการปลอมแปลง และจอแสดงผลเรืองแสง การใช้ประโยชน์จากการเรืองแสงแอนติสโตกส์ทำให้เม็ดสีนี้สามารถสร้างหมึก เคลือบ และวัสดุที่มีสีสันสดใสและทนทาน พร้อมความสามารถในการมองเห็นและการตรวจสอบความถูกต้องที่ดียิ่งขึ้น
การแปลงโฟตอนขึ้น
การแปลงโฟตอนขึ้น (Photon upconversion)เป็นกระบวนการแอนตี้-สโตกส์ (Anti-Stokes process) ซึ่งโฟตอนพลังงานต่ำจะถูกแปลงเป็นโฟตอนพลังงานสูง ตัวอย่างของกระบวนการหลังนี้แสดงให้เห็นโดยการแปลงอนุภาคนาโนขึ้น (Upconverting nanoparticles ) โดยทั่วไปจะพบเห็นได้บ่อยในสเปกโทรสโกปีรามาน (Raman spectroscopy ) ซึ่งสามารถใช้กำหนดอุณหภูมิของวัสดุได้[ 11 ]
อุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์
ในชั้นเซมิคอนดักเตอร์ฟิล์มบางแบบแถบพลังงานโดยตรง การปล่อยแสงที่เลื่อนสโตกส์สามารถเกิดขึ้นได้จากแหล่งหลักสามแหล่ง ได้แก่ การเจือปน ความเครียด และความไม่เป็นระเบียบ[ 12 ]ปัจจัยแต่ละอย่างเหล่านี้สามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในระดับพลังงานของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ส่งผลให้แสงที่ปล่อยออกมาเลื่อนไปทางความยาวคลื่นที่ยาวกว่าเมื่อเทียบกับแสงที่ตกกระทบ ปรากฏการณ์นี้มีความเกี่ยวข้องอย่างยิ่งในอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติกส์ ซึ่งการควบคุมปัจจัยเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของอุปกรณ์
อุปกรณ์รวมแสงอาทิตย์เรืองแสง
ในตัวรวมแสงอาทิตย์เรืองแสง (LSCs) การเลื่อนของสโตกส์ (Stokes shift) เป็นสิ่งสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพการเก็บเกี่ยวแสง LSCs ใช้สารเรืองแสงเพื่อดูดซับแสงอาทิตย์และปล่อยออกมาใหม่ที่ความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น การเลื่อนของสโตกส์ที่มากพอจะช่วยให้โฟตอนที่ปล่อยออกมาไม่ถูกดูดซับโดยสารเรืองแสงอีกครั้ง ลดการสูญเสียเนื่องจากการดูดซับตัวเอง ทำให้แสงที่ปล่อยออกมาส่วนใหญ่ถูกนำทางโดยการสะท้อนภายในทั้งหมดไปยังขอบของอุปกรณ์ ซึ่งเซลล์แสงอาทิตย์จะแปลงเป็นไฟฟ้า ประสิทธิภาพของ LSCs โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานในพื้นที่ขนาดใหญ่หรือการติดตั้งในอาคาร จึงมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับขนาดของการเลื่อนของสโตกส์ในสารเรืองแสงที่ใช้