CN109030419A - 一种宽幅变温固态发光绝对量子产率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽幅变温固态发光绝对量子产率测量方法，使用变温积分球光学耦合测试装置，包括:控温部件、积分球，光通过积分球上的光孔打在样品上，反射到积分球中进行漫反射后经过光纤导出；光纤，连接积分球和光谱仪，漫反射光通过变温光谱测定，得到固体样品在不同温度条件下的绝对量子产率；所述控温部件包括电制冷和电加热温度控制装置；所述固体样品位于所述控温部件中，光谱仪的设置参数为激发波长为300至380纳米，激发狭缝为5至20纳米，发射狭缝为5至20纳米。本发明提供的方法测定速度快，效率高，测量误差小，可得到固体在低温和变温条件下发光效率特征，同时拓展了变温绝对量子产率在发光，照明，显示和生物成像等领域的应用。

Description

一种宽幅变温固态发光绝对量子产率测量方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体来说，涉及一种宽幅变温固态发光绝对量子产率测量方法。

背景技术

近年来，随着半导体照明，发光，显示和生物成像等领域的蓬勃发展，高性能固态发光材料受到信息技术，新材料和新能源等高端技术领域的广泛关注。目前，从基础研究角度分析，固态发光材料的常规测试已经不能满足研究人员对材料性能评估的需求，例如在低温/变温，除氧测试条件下，可以出现一些特殊的物理和化学现象，同时在近红外区(800-1700纳米)的检测需求也比较大。另一方面，在工程技术应用领域(如照明，显示等)，发光材料的物理性质常受到外界操作条件(如温度)的影响，因此需要开发和建立新型测试手段以满足上述需求。

固态样品(如粉体和薄膜)的发光绝对量子产率测试是近年来发展较快的功能之一，也是衡量发光材料性能优劣的核心指标。发光量子产率(也称量子效率，PLQY)是指物质吸光后所发射光的光子数与所吸收的激发光光子数之比，表征物质发光能力的大小。目前，绝对量子效率的测试还仅限于常温条件，无法实现对特殊条件下的光学特性进行深入分析和研究，这与近年来发展起来的变温发射光谱测试以及变温发光寿命测试是不相符合的。大范围的变温和低温量子产率测量目前处于空白阶段，而这方面需求非常大，只要做变温光学测试，就会涉及到变温绝对发光量子产率的需要。

积分球是指内表面具有高反射性的空心球体，主要是对放于球内样品对光进行散射和反射作用，或是对光源本身发出的光进行收集的一种高效器件。光线通过在具有涂层的球内部均匀反射和漫射，并且在积分球内部进行积分后通过输出孔射出，是一种理想的漫射匀光器，可以通过在内部多次漫发射来消除光源自身而造成的出射光束不均匀或者带有偏振方向的问题，可精确测量材料的光学反射、透射、亮度、辐射度以及色度等性能，常用在LED,激光，节能灯，发光屏等的光色测试上。积分球良好的光学测试能力以及精确度高等优点使其在光学工程，化学以及材料科学中得到了广泛应用。近年来，利用积分球测试光学材料的紫外可见近红外漫反射光谱、荧光绝对量子产率等参数越来越广泛。同时，在低温和变温条件下的测试需求比较大。

目前广泛使用的是直接法测发光绝对量子产率，即利用积分球和光谱仪直接测量，这种方法可以实现常温绝对发光量子产率测试，而变温控制仍处于探索阶段。一般的想法是低温可以直接用液氮冷冻样品，变温时可以将变温装置放在积分球中，但是对于积分球而言，很难实现将变温装置放置在常规积分球中，一是体积较大，二是积分球不易密封，三是变温装置放在积分球中会严重影响光的散射；第二种方案是将样品仓加积分球直接进行变温控制，这种方式难度大，要将样品仓做到完全密闭，这种方法对目前的装置而言是不现实的。

然而，目前的漫反射光谱和绝对量子产率测试大部分仅限于常温，为了满足光谱信息技术测试发展需求，有必要实现变温积分球光学测试系统。尤其是大范围变温积分球装置至今却处于空白阶段。同时，低温和变温控制也不同，低温可以通过液氮冷冻样品来实现，而变温控制难点在于引进调控温度装置后，如何和积分球进一步有效结合成为设计难点。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种宽幅变温固态发光绝对量子产率测量方法，技术方案如下：

一种宽幅变温固态发光绝对量子产率测量方法，其特征在于，

使用变温积分球光学耦合测试装置，包括:控温部件，用于控制固体样品的温度范围内变化；积分球，光通过积分球上的光孔打在样品上，反射到积分球中进行漫反射后经过光纤导出；光纤，连接积分球和光谱仪，漫反射光通过变温光谱测定，得到固体样品在不同温度条件下的光学参数测量；所述控温部件包括电制冷和电加热温度控制装置，位于积分球开口处正下方1-2mm，控制固体样品的温度范围为4K-500K；所述固体样品位于所述控温部件中，是粉末或薄膜样品；光谱仪的设置参数为激发波长为300至380纳米，激发狭缝为5至20纳米，发射狭缝为5至20纳米。

优选的，所述光纤长度范围为1至5m。

优选的，所述光谱仪是紫外、可见、近红外荧光光谱仪或吸收光谱仪中的任意一种。

优选的，所示固体样品是蒽或1,1,4,4-四苯基1,3-丁二烯。

优选的，所述控温部件是牛津公司的microstat装置。

优选的，所述光谱仪是爱丁堡公司的FLS980。

本发明充分利用了积分球和大范围温度控制装置的各自特点，有效耦合连接，构造简单，效率高，测试结果准确，测试速度快，可用于光敏功能材料和相关技术领域的检测。

附图说明

图1是实施例1中的变温积分球光学耦合测试装置的结构示意图。

图2中，A,C图为1,1,4,4-四苯基1,3-丁二烯样品和参比样品硫酸钡在100开尔文以及300开尔文的光散射谱；B,D图为样品和参比样品硫酸钡在100开尔文以及300开尔文的发射光谱。

图3中，A,C图为蒽样品和参比样品硫酸钡在170开尔文以及370开尔文的光散射谱；B,D图为样品和参比样品硫酸钡在170开尔文以及370开尔文的发射光谱。

附图标记说明：

光谱仪1、光纤2、积分球3、控温部件4、固体样品5。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明所述的一种宽幅变温固态发光绝对量子产率测量方法做进一步说明，但是本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

一种变温积分球光学耦合测试装置，包括:控温部件4，用于控制固体样品5的温度范围内变化；积分球3，光通过积分球3上的光孔打在样品上，反射到积分球3中进行实现漫反射后经过光纤2导出；光纤2，连接积分球3和光谱仪1，漫反射光通过变温光谱测定，得到固体样品5在不同温度条件下的光学参数测量。

控温部件4包括电制冷和电加热温度控制装置，位于积分球3开口处正下方1-2mm，控制固体样品5的温度范围为4K-500K。固体样品5位于所述控温部件4中，是粉末或薄膜样品。光纤2长度范围为1至5m。光谱仪1是紫外、可见、近红外荧光光谱仪或吸收光谱仪中的任意一种。

要测量的光学参数是漫反射光谱和荧光绝对量子产率。

固体样品5可以是蒽或1,1,4,4-四苯基1,3-丁二烯。

最优选的，控温部件4是牛津公司的microstat装置，光谱仪1是爱丁堡公司的FLS980。

实施例2

利用实施例1中的变温积分球装置系统测试变温发光量子效率：

1)称量发光样品蒽150毫克，均匀平铺于控温部件microstat中，使其处于积分球开口处正下方；

2)利用1m光纤将上述控温部件与成型荧光光谱仪(爱丁堡公司的FLS980)结合；

3)利用控温装置将样品温度分别控制在157K，257K,317K，在光谱仪上设置参数激发波长为360纳米，激发狭缝为10纳米，发射狭缝为10纳米，对样品的绝对发光量子产率测试，其结果分别为27.4％,26.5％和23.2％。

实施例3

利用实施例1中的变温积分球装置系统测试变温发光量子效率：

1)称量发光样品蒽300毫克，均匀平铺于控温部件microstat中，使其处于积分球开口处正下方；

2)利用5m长的光纤将上述控温部件与成型荧光光谱仪(爱丁堡公司的FLS980)结合，如图1所示；

3)利用控温装置将样品温度分别控制在137和297K，在光谱仪上设置参数激发波长为360纳米，激发狭缝为5纳米，发射狭缝为5纳米，对样品的绝对发光量子产率测试，其结果分别为26.3％和24.0％。

实施例4

利用实施例1中的变温积分球装置系统测试变温发光量子效率：

1)称量发光样品1,1,4,4-四苯基1,3-丁二烯200毫克，均匀放置于控温部件microstat中，使其处于积分球开口处正下方，距离为1毫米；

2)利用2m光纤将上述装置与成型荧光光谱仪(爱丁堡公司的FLS980)结合；

3)利用低温控温将温度控制在100K，在光谱仪上设置参数激发波长为360纳米，激发狭缝为5纳米，发射狭缝为5纳米，对样品的绝对发光量子产率测试，其结果为65.9％；

4)利用升温装置将温度控制至300K，在光谱仪上设置参数激发波长为360纳米，激发狭缝为5纳米，发射狭缝为5纳米，对样品的绝对发光量子产率测试65.1％。

图2中，A,C图为1,1,4,4-四苯基1,3-丁二烯样品和参比样品硫酸钡在100开尔文以及300开尔文的光散射谱；B,D图为样品和参比样品硫酸钡在100开尔文以及300开尔文的发射光谱。通过两图计算得到100和300开尔文条件的量子产率分别为65.9％和65.1％。

实施例5

1)称量发光样品蒽100毫克，均匀平铺于控温部件microstat中，使其处于积分球开口处正下方，距离为2毫米；

2)利用2m光纤将上述控温部件与成型荧光光谱仪(爱丁堡公司的FLS980)结合；

3)利用低温控温将温度控制在170K，在光谱仪上设置参数激发波长为360纳米，激发狭缝为5纳米，发射狭缝为5纳米，对样品的绝对发光量子产率测试，其结果为28.4％；

4)利用升温装置将温度控制至370K，在光谱仪上设置参数激发波长为360纳米，激发狭缝为5纳米，发射狭缝为5纳米，对样品的绝对发光量子产率测试22.1％。

图3中，A,C图为蒽样品和参比样品硫酸钡在170开尔文以及370开尔文的光散射谱；B,D图为样品和参比样品硫酸钡在170开尔文以及370开尔文的发射光谱。通过两图计算得到170和370开尔文条件的量子产率分别为28.4％和22.1％。

Claims (6)

1.一种宽幅变温固态发光绝对量子产率测量方法，其特征在于，

使用变温积分球光学耦合测试装置，包括:控温部件，用于控制固体样品的温度范围内变化；积分球，光通过积分球上的光孔打在样品上，反射到积分球中进行漫反射后经过光纤导出；光纤，连接积分球和光谱仪，漫反射光通过变温光谱测定，得到固体样品在不同温度条件下的光学参数测量；所述控温部件包括电制冷和电加热温度控制装置，位于积分球开口处正下方1-2mm，控制固体样品的温度范围为4K-500K；所述固体样品位于所述控温部件中，是粉末或薄膜样品；光谱仪的设置参数为激发波长为300至380纳米，激发狭缝为5至20纳米，发射狭缝为5至20纳米。

2.根据权利要求1所述的宽幅变温固态发光绝对量子产率测量方法，其特征在于，所述光纤长度范围为1至5m。

3.根据权利要求2所述的宽幅变温固态发光绝对量子产率测量方法，其特征在于，所述光谱仪是紫外、可见、近红外荧光光谱仪或吸收光谱仪中的任意一种。

4.根据权利要求3所述的宽幅变温固态发光绝对量子产率测量方法，其特征在于，所示固体样品是蒽或1,1,4,4-四苯基1,3-丁二烯。

5.根据权利要求4所述的宽幅变温固态发光绝对量子产率测量方法，其特征在于，所述控温部件是牛津公司的microstat装置。

6.根据权利要求5所述的宽幅变温固态发光绝对量子产率测量方法，其特征在于，所述光谱仪是爱丁堡公司的FLS980。