Termiski stimulētā luminiscence (TSL) ir fizikāla parādība, kurā cietvielas sildīšanas rezultātā tiek emitēts optiskais starojums (ultravioletais starojums, redzamā gaisma vai infrasarkanais starojums). Pretstatā citiem luminiscences veidiem TSL novērošanai materiāls ir iepriekš jāpakļauj tāda starojuma iedarbībai, kas izraisa defektu veidošanos kristālrežģī un/vai lādiņnesēju uzkrāšanos tajos. TSL nav termiskais starojums, jo karsēšana tikai izraisa materiālā uzkrātās enerģijas izdalīšanos, nevis pati par sevi ir starojuma emisijas cēlonis. Tādējādi TSL ir pārejoša parādība, un, lai to vēlreiz novērotu, izkarsētais materiāls ir atkārtoti jāpakļauj jonizējošā starojuma iedarbībai. TSL radniecīga metode ir optiski stimulētā luminiscence (OSL), kurā lādiņnesēju atbrīvošanai tiek izmantots optiskais starojums, nevis siltums. TSL spektroskopija sniedz daudzveidīgu informāciju par strukturāliem defektiem cietvielās. To plaši izmanto dažādās jomās, tostarp cietvielu fizikā (punktveida defektu raksturošanā), materiālzinātnē (luminiscējošo materiālu izpētē), dozimetrijā (absorbētās jonizējošā starojuma dozas mērīšanā) un arheoloģijā (objektu datēšanā).

Lai varētu novērot TSL, vielā ir nepieciešami punktveida defekti, kas kalpo kā lādiņnesēju ķērājcentri, un starojuma emisijas centri, kas luminiscē. Vispārīgo TSL mehānismu var iedalīt vairākos posmos:

1. materiāla ierosināšana: starojuma (optiskais starojums, rentgenstari, gamma starojums, daļiņu starojums) iedarbības rezultātā vielā tiek delokalizēti elektroni un/vai veidojas defekti;
2. lādiņnesēju saķeršana: daļa no ierosinātajiem lādiņnesējiem – elektroniem un caurumiem – tiek lokalizēti ķerājcentros;
3. lādiņnesēju stimulācija: vielai pievadot siltumu, saķertie lādiņnesēji iegūst papildu enerģiju un tiek atbrīvoti no ķerājcentriem;
4. starojuma emisija: atbrīvotie elektroni un caurumi rekombinē emisijas centros, izstarojot optisko starojumu.

Konkrētais ierosināšanas mehānisms, iesaistītie defekti un TSL starojuma raksturlielumi ir atkarīgi no materiāla struktūras un fizikālajām īpašībām.

TSL līkne tiek uzņemta, reģistrējot no vielas emitētā starojuma intensitāti I atkarībā no sildīšanas temperatūras T. TSL līknē novēroto maksimumu intensitāte, skaits un forma satur informāciju par saķerto lādiņnesēju koncentrāciju, sadalījumu un īpašībām materiālā. Viens no svarīgākajiem saķerto lādiņnesēju raksturlielumiem ir aktivācijas enerģija E_a jeb ķērājcentra “dziļums”, kas ir nepieciešamais enerģijas daudzums, lai lādiņnesēju atbrīvotu no ķērājcentra. TSL signāla intensitāte I(T) ir proporcionāla lādiņnesēja varbūtībai p tikt atbrīvotam no ķērājcentra termiskas stimulācijas rezultātā, ko apraksta Arēniusa vienādojums:

$$I(T)\propto p=s\cdot e^{\frac{–E_{a}}{k_{B}\cdot T}},$$

kur – s frekvenču faktors; k_B = 1,38⋅10^-23 m² kg s^-2 K^-1 – Bolcmaņa konstante.

TSL starojuma intensitātes sadalījumu pa viļņu garumiem sauc par TSL spektru. Dažādās TSL līknes pozīcijās tas var atšķirties, un to nosaka emisijas centru īpašības materiālā.

TSL parādība tika aprakstīta jau 20. gs. vidū, un tā sākotnēji tika pētīta saistībā ar jonizējošā starojuma ietekmi uz kristāliskajiem materiāliem. Kopš tā laika tā ir kļuvusi par nozīmīgu metodi materiālu pētniecībā, radiācijas dozimetrijā un datēšanā.

TSL spektroskopija sniedz nozīmīgu mikroskopisku informāciju par defektiem materiālā. Luminiscējoša materiāla īpašības ir atkarīgas no defektu enerģētisko līmeņu novietojuma attiecībā pret valences un vadāmības zonām materiāla elektroniskajā struktūrā. Defektu līmeņu pozīcija aizliegtajā zonā nosaka to, vai attiecīgais defekts var darboties kā elektronu donors vai akceptors, kas savukārt ietekmē gan materiāla elektriskās, gan optiskās īpašības. Šīs īpašības nosaka konkrētā materiāla potenciālos pielietojuma virzienus.

Daudzos materiālos uzkrāto defektu koncentrācija ir proporcionāla absorbētā jonizējošā starojuma dozai, un šo īpašību ir iespējams izmantot dozimetrijā. Radiācijai var būt negatīva ietekme uz dzīvo organismu veselību un dzīvību, tādēļ daudzās darba vidēs, piemēram, kodolspēkstacijās, pētnieciskajās laboratorijās, medicīnas iestādēs, kur tiek veikta staru terapija, kā arī veterinārajās klīnikās un zobārstniecības praksēs, radiācijas aizsardzības nolūkos ir nepieciešams veikt starojuma dozas un saistīto lielumu mērīšanu. Viens no biežāk izmantotajiem personālās dozimetrijas līdzekļiem ir individuālie TSL dozimetri, kas tiek integrēti pārnēsājamās ierīcēs, ko piestiprina pie darbinieka apģērba. Individuālos dozimetrus regulāros laika intervālos nolasa, izmantojot speciālas ierīces, kas mēra kopējo TSL signāla intensitāti. Šī informācija ļauj novērtēt darbinieka saņemto kumulatīvo starojuma dozu.

Defektu uzkrāšanās materiālos laikā gaitā neizbēgami notiek arī dabīgā radiācijas fona dēļ. Šis starojums primāri rodas dabā sastopamo radioaktīvo ⁴⁰K, ²³⁸U un ²³²Th izotopu sabrukšanas rezultātā. TSL datēšana ir metode vielu vecuma analīzei, kas balstās uz absorbētās jonizējošā starojuma dozas noteikšanu, mērot TSL signāla intensitāti. Šo luminiscences datēšanas metodi izmanto arheoloģijā un ģeoloģijā, lai novērtētu senatnīgu artefaktu, būvmateriālu vai iežu vecumu.

Informācija par cietvielu elektronisko struktūru ir būtiska jaunu optisko materiālu izstrādē. TSL mērījumi ļauj noteikt punktveida defektu un lantanīdu enerģijas līmeņu novietojumu izolatoru aizliegtajā joslā. Šādi dati kombinācijā ar fenomenoloģiskiem modeļiem ļauj prognozēt luminiscences īpašības dažādos materiālos, tādējādi sniedzot iespēju izvēlēties optimālu ķīmisko sastāvu vēlamo optisko īpašību nodrošināšanai. Scintilatoru klases materiālos punktveida defekti, kas darbojas kā lādiņnesēju ķērājcentri, ir nevēlama parādība, jo tie var aizkavēt lādiņnesēju rekombinācijas procesus, būtiski degradējot materiāla luminiscences efektivitāti. Lai samazinātu nevēlamo defektu koncentrāciju, ķērājcentru aktivācijas enerģijas analīzi, izmantojot TSL spektroskopiju, var veikt kombinācijā ar materiāla aizliegtās zonas inženieriju. Dozimetriskajos materiālos pretstatā scintilatoriem stabilu defektu veidošanās un uzkrāšanās jonizējošā starojuma ietekmē ir vēlamais rezultāts. TSL intensitāte, kas tiek reģistrēta dozimetra nolasītājā, ir proporcionāla saņemtajai dozai, ko plaši izmanto radiācijas monitoringā un drošībā.

Eksistē materiāli, kuriem istabas temperatūrā ir pietiekoši augstas intensitātes TSL signāls redzamās gaismas diapazonā, lai to saskatītu ar neapbruņoti aci. Šādus materiālus sauc par ilgspīdošiem luminoforiem, jo atsevišķos gadījumos to luminiscenci tumsā var saskatīt vairākas minūtes pēc ierosināšanas beigām. Ilgspīdošos luminoforus izmanto drošības zīmēs, evakuācijas ceļu marķējumos, pulksteņu ciparnīcās, rotaļlietās, un tie plaši sastopami arī citos ikdienas pielietojumos, kur nepieciešams vājš apgaismojums bez ārēja enerģijas padeves avota. Mūsdienās notiek aktīvi pētījumi ar mērķi izstrādāt efektīvus ilgspīdošos materiālus, kas luminiscē infrasarkanā un ultravioletā starojuma diapazonos. Šādi materiāli varētu tikt izmantoti medicīniskajā diagnostikā un terapijā, pretviltošanas marķējumos, kā arī specializētos optiskos risinājumos zinātnē un rūpniecībā.