Le phosphore est un terme général désignant toute substance capable d'émettre de la lumière lorsqu'elle est exposée à des radiations ou à des champs électriques. Il est dérivé du mot grec "phosphoros", signifiant "porte-lumière". Les phosphores sont généralement des semi-conducteurs, qui possèdent trois bandes d'énergie : la bande de valence, la bande de conduction et la bande interdite.
La bande de valence est le niveau d'énergie le plus bas où se trouvent normalement les électrons. La bande de conduction est le niveau d'énergie le plus élevé où les électrons peuvent se déplacer librement. La bande interdite est l'écart entre la bande de valence et la bande de conduction, où aucun électron ne peut exister.
Les phosphores peuvent être activés par l'ajout d'impuretés ou de dopants, qui créent des niveaux d'énergie supplémentaires au sein de la bande interdite. Ces niveaux d'énergie agissent comme des pièges pour les électrons ou les trous (charges positives) qui sont excités par des radiations ou des champs électriques. Lorsque ces électrons ou trous retournent à leurs états originaux, ils libèrent de l'énergie sous forme de photons de lumière.
Comment le revêtement phosphorescent convertit les rayonnements UV en lumière visible
Le processus de conversion des rayonnements UV en lumière visible par le revêtement phosphorescent s'appelle la fluorescence. La fluorescence se produit lorsque un atome ou une molécule absorbe un photon de radiation à haute énergie et émet un photon de radiation à basse énergie. La différence d'énergie entre le photon absorbé et le photon émis est dissipée sous forme de chaleur.
Le diagramme suivant illustre comment fonctionne la fluorescence dans un revêtement phosphorescent composé de sulfure de zinc (ZnS) dopé avec de l'argent (Ag) en tant qu'activateur.
Modèle phosphorescent de sulfure de zinc
A – B :- Saut électronique
B – E :- Migration électronique
E – D :- Saut électronique
D – C :- Saut électronique
A – C :- Migration de trous
Un photon de radiation UV d'une longueur d'onde de 253,7 nm frappe le revêtement phosphorescent et excite un électron d'un atome de soufre (S) vers un atome de zinc (Zn). Cela crée un trou positif dans la bande de valence et un ion négatif (Zn^-) avec un électron supplémentaire dans la bande de conduction.
L'électron supplémentaire migre d'un ion Zn^- à un autre à travers le réseau cristallin dans la bande de conduction.
Pendant ce temps, le trou positif se déplace d'un atome de S à un autre dans la bande de valence jusqu'à ce qu'il atteigne un atome d'Ag, qui agit comme un piège.
L'atome d'Ag capture l'électron de l'ion Zn^- près de lui et devient neutre (Ag^0). Cela libère un photon de lumière visible d'une longueur d'onde plus longue que celle du photon UV.
L'électron de l'atome Ag^0 saute de nouveau vers l'atome de S où le trou a été créé, complétant ainsi le cycle.
La couleur de la lumière visible dépend de la différence d'énergie entre le niveau de piège de l'Ag et le niveau de Zn^-. Différents dopants peuvent créer différents niveaux de piège et donc différentes couleurs. Par exemple, le cuivre (Cu) peut produire de la lumière verte, le manganèse (Mn) peut produire de la lumière orange, et le cadmium (Cd) peut produire de la lumière rouge.
