CN116642863A - 一种实时原位的荧光成像显微镜测试系统及方法 - Google Patents

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CN116642863A CN202310359980.3A CN202310359980A CN116642863A CN 116642863 A CN116642863 A CN 116642863A CN 202310359980 A CN202310359980 A CN 202310359980A CN 116642863 A CN116642863 A CN 116642863A
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陈孟瑜
李少群
李澄
黄凯
李金钗
张�荣
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Xiamen University
Tan Kah Kee Innovation Laboratory
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Abstract

本发明公开了一种实时原位的荧光成像显微镜测试系统及方法，该系统包括：测试电源模块、激发光模块、接收光路模块、信号探测模块以及微控制器，通过各个模块的配合，能够在不损害待测样品的条件下，原位、实时观测待测样品中的多物理场调控下，缺陷迁移以及相关的宏观光电性能数据，与其他离子迁移测试系统相比，该荧光成像显微镜测试系统操作更加简便，能以高分辨率快速捕获宽视场中的荧光成像图像，测试结果更加准确形象，能够原位、实时地获得多物理场调控下的离子迁移图像以及相关光电测试数据，通过微观图像与宏观数据相结合，更加全面地对器件的性能衰退过程和离子迁移进行分析。

Description

一种实时原位的荧光成像显微镜测试系统及方法
技术领域
本发明涉及测试技术领域，具体涉及一种实时原位的荧光成像显微镜测试系统及方法。
背景技术
最近的十几年来，随着科技与经济的不断进步，人们对于智能设备和新能源的需求不断膨胀。基于无机材料或有机材料制备的发光二极管、钙钛矿探测器、锂离子电池等储能和能量转换器件，以及包括忆阻器等的新型电路器件得到了迅速的发展。其中，忆阻器尺寸小、能耗低，能够高效存储和处理信息，可用于开发具有自主学习能力的智能器件，在硬件机器学习领域具有深厚的潜力；发光二极管具有绿色节能、稳定可靠、安全无害等优点，随着技术的不断发展，已被广泛地应用到现代生活的各个领域。
忆阻器是具有电流电压滞回性的变阻器件，不同电压的施加会导致器件内部组分发生不同的变化，其电阻值会随着流过器件的电流和通过器件的电荷量而变化，这使得忆阻器具有保持断电瞬间电阻的特性。发光二极管和太阳能电池在进行能量转化的过程中，内部的离子迁移也在同时影响着器件的效率与稳定性，在导致器件退化衰老的同时也阻碍了器件性能的进一步突破。为了能够发掘材料更多的潜力，提高器件的效率与稳定性，研究者对于新兴材料结构和反应机理，以及储能和能量转换器件(例如锂离子电池)、新型电路器件中电荷及离子迁移与性能之间关联的探究越来越多。然而目前研究者对离子性质的理解还处于相对初级的阶段，离子运动的详细动力学过程还存在争议，如何实现实时地观测器件在工作过程中离子的位置变化成为了研究重点之一。
目前，已经开发了许多用于表征材料结构和性能的实验方法和技术，包括空间电荷限制电流测量、电化学阻抗、X射线光电子能谱(XPS)等方法。这些方法从不同方面证明了离子迁移，然而目前仍缺少对离子迁移的实时观测与研究。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种实时原位的荧光成像显微镜测试系统及方法，以解决现有技术中缺少对离子迁移的实时观测与研究的技术问题。
本发明实施例提供的技术方案如下：
本发明实施例第一方面提供一种实时原位的荧光成像显微镜测试系统，包括：测试电源模块、激发光模块、接收光路模块、信号探测模块以及控制器，所述测试电源模块用于向待测样品施加离子迁移所需电场；所述激发光模块用于输出激发光照射至待测样品，所述激发光包括激光信号或超分辨激光；所述接收光路模块用于接收待测样品在激发光的照射下由光致发光产生的荧光信号，将所述荧光信号传输至所述信号探测模块；所述信号探测模块用于接收所述荧光信号进行荧光成像；所述微控制器用于接收待测样品在不同时刻的荧光成像，计算待测样品中离子迁移参数和缺陷浓度。
可选地，该实时原位的荧光成像显微镜测试系统还包括：环境样品盒，待测样品设置在所述环境样品盒中；所述环境样品盒用于调整待测样品的所处环境；所述微控制器还用于接收待测样品在不同环境下的荧光成像，分析环境对待测样品性能的影响。
可选地，所述激发光模块包括：激光光源模块和受激发射损耗光源模块，所述激光光源模块包括：激光光源、第一半透半反镜和第二半透半反镜，所述激光光源发射激光信号经过所述第一半透半反镜和所述第二半透半反镜照射到待测样品上；所述受激发射损耗光源模块包括受激发射损耗光源和第一反射镜，所述受激发射损耗光源发射超分辨激光经过所述第一反射镜、所述第一半透半反镜和所述第二半透半反镜照射到待测样品上。
可选地，所述信号探测模块包括：高光谱相机、荧光寿命成像相机、CCD相机、单光子探测器以及时间相关单光子计数器；所述高光谱相机用于接收荧光信号探测得到待测样品的原位荧光光谱图像；所述荧光寿命成像相机用于接收荧光信号探测得到待测样品的荧光寿命成像图像；所述CCD相机用于接收荧光信号探测得到待测样品的荧光图像；所述单光子探测器用于接收荧光信号，将所述荧光信号转换得到电信号；所述时间相关单光子计数器用于根据所述电信号到达时间和参考信号达到时间计算时间间隔分布。
可选地，所述信号探测模块还包括：高频信号发生器，所述高频信号发生器连接所述激发光模块和时间相关单光子计数器，向所述激发光模块输入激发光所需信号频率，向时间相关单光子计数器输入参考信号。
可选地，所述接收光路模块包括：物镜、长通滤波片、第三半透半反镜、第四半透半反镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜和光纤跳线；所述荧光信号依次经过所述物镜、所述长通滤波片以及所述第三半透半反镜，经过所述第三半透半反镜反射以及所述第一聚焦透镜进入所述CCD相机，经过所述第三半透半反镜透射、所述第四半透半反镜反射和所述第二聚焦透镜聚焦进入所述高光谱相机，经过所述第四半透半反镜透射、所述第三聚焦透镜聚焦以及光纤跳线分别进入所述荧光寿命成像相机和所述单光子探测器。
可选地，该实时原位的荧光成像显微镜测试系统还包括：仪器控制系统和压电微动平台，所述压电微动平台用于放置待测样品，所述仪器控制系统连接所述压电微动平台，调节所述压电微动平台的位置。
可选地，所述测试电源模块包括：数字源表和探针，所述数字源表通过所述探针连接待测样品的电极。
本发明实施例第二方面提供一种实时原位的荧光成像显微镜测试方法，包括：向待测样品施加离子迁移所需电场；向待测样品照射激发光，所述激发光包括激光信号或超分辨激光；根据待测样品在激发光的照射下由光致发光产生的荧光信号进行荧光成像；根据接收待测样品在不同时刻的荧光成像，计算待测样品中离子迁移参数和缺陷浓度。
可选地，离子迁移参数包括：离子迁移率和扩散系数；
所述离子迁移率采用如下公式计算：
式中，μ表示离子迁移率，ν表示离子迁移的速度，通过不同时刻的荧光成像确定，E表示向待测样品施加的离子迁移所需电场；
扩散系数采用如下公式计算：D＝μkBT；
式中，D表示扩散系数，kB表示玻尔兹曼常数，T表示待测样品的温度
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明实施例提供的实时原位的荧光成像显微镜测试系统，能够在不损害待测样品的条件下，原位、实时观测待测样品中的多物理场调控下，缺陷迁移以及相关的宏观光电性能数据，与其他离子迁移测试系统相比，该荧光成像显微镜测试系统操作更加简便，能以高分辨率快速捕获宽视场中的荧光成像图像，测试结果更加准确形象，能够原位、实时地获得多物理场调控下的离子迁移图像以及相关光电测试数据，通过微观图像与宏观数据相结合，更加全面地对器件的性能衰退过程和离子迁移进行分析。
本发明实施例提供的实时原位的荧光成像显微镜测试方法，通过对待测样品施加电场并照射激发光，通过对待测样品产生的荧光进行成像分析，能够实时、原位地对器件中的离子在外加电场下的迁移过程进行观测，定性、定点和定量地观测样品器件中缺陷迁移及化学组分的变化，为宏观测试时样品的电流曲线变化以及性能变化提供直接证据，同时可以直接定量地确定材料中缺陷态密度和离子扩散常数，从而能够从微观上更深入地了解储能和能量转换器件性能衰退的根源，进而提高器件的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中实时原位的荧光成像显微镜测试系统的结构框图；
图2为本发明实施例中实时原位的荧光成像显微镜测试系统的结构原理图；
图3为本发明实施例中实时原位的荧光成像显微镜测试方法的流程图。
具体实施方式
正如在背景技术中所述，目前仍缺少对离子迁移的实时观测与研究。而荧光成像技术作为一种显微成像技术，能够利用特定外界能量激发样品本身或样品中荧光添加剂发出荧光，通过测量荧光强度并观察荧光图像，能够无损地获取材料特征及性质，广泛应用于生物、材料、能源等多个领域。通过观测样品器件的荧光成像图像并测量荧光寿命及电流数据，能够全方位多维度地完整了解器件工作时内部材料结构变化和工作机理。
为了能够深入研究器件工作中器件离子迁移和内部电场的实时变化，就需要能够对材料及器件内部的基本物理及化学过程进行精确地观测。本发明实施例通过将荧光成像技术与超分辨光谱学技术相结合，能够实现以超高时间和空间分辨率实时监测电磁场中新兴材料及工作状态下器件的原位光学图像。为进一步提高能量转换器件的稳定性和效率提供指导。
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明实施例提供一种实时原位的荧光成像显微镜测试系统，如图1所示，包括：测试电源模块10、激发光模块20、接收光路模块30、信号探测模块40以及微控制器50，所述测试电源模块10用于向待测样品001施加离子迁移所需电场；所述激发光模块20用于输出激发光照射至待测样品001，所述激发光包括激光信号或超分辨激光；所述接收光路模块30用于接收待测样品001在激发光的照射下由光致发光产生的荧光信号，将所述荧光信号传输至所述信号探测模块40；所述信号探测模块40用于接收所述荧光信号进行荧光成像；所述微控制器50用于接收待测样品001在不同时刻的荧光成像，计算待测样品001中离子迁移参数和缺陷浓度。
具体地，在该实施例中，待测样品包括忆阻器等新型电路器件、锂离子电池或钠离子电池等储能和能量转换器件或者其他的半导体器件。此外待测样品也可以是半导体光电材料等。其中，待测样品本身在激光的激发下发出荧光，或者对于自身不主动发光的锂离子电池等，通过增加探针分子(例如发光的有机高分子或者小分子等)作为待测样品结构的一部分，由此实现在激光的激发下发出荧光。
其中，为了实现激发光模块中激光信号和超分辨激光的输出，在激发光模块中设置激光光源和受激发射损耗光源，根据待测样品的不同位置，开启不同的光源。另外，微控制器具体由计算机软件系统构成，通过计算机软件系统实现其解析分析功能。
本发明实施例提供的实时原位的荧光成像显微镜测试系统，能够在不损害待测样品的条件下，原位、实时观测待测样品中的多物理场调控下，缺陷迁移以及相关的宏观光电性能数据，与其他离子迁移测试系统相比，该荧光成像显微镜测试系统操作更加简便，能以高分辨率快速捕获宽视场中的荧光成像图像，测试结果更加准确形象，能够原位、实时地获得多物理场调控下的离子迁移图像以及相关光电测试数据，通过微观图像与宏观数据相结合，更加全面地对器件的性能衰退过程和离子迁移进行分析。
在一实施方式中，如图2所示，实时原位的荧光成像显微镜测试系统还包括：仪器控制系统019和压电微动平台018，所述压电微动平台018用于放置待测样品，所述仪器控制系统019连接所述压电微动平台018，调节所述压电微动平台018的位置。所述测试电源模块包括：数字源表002和探针，所述数字源表002通过所述探针连接待测样品的电极。
在一实施方式中，该实时原位的荧光成像显微镜测试系统还包括：环境样品盒，待测样品设置在所述环境样品盒中；所述环境样品盒温度控制系统用于调整待测样品的所处环境；所述微控制器还用于接收待测样品在不同环境下的荧光成像，分析环境对待测样品性能的影响。
具体地，环境样品盒在调整待测样品所处环境时，主要对待测样品的温度、气体氛围、真空度、湿度、应力等进行调整。在调整时，可以根据不同类型的待测样品选择不同的环境；同时对于同一待测样品也可以通过环境的调整，采集在不同环境下的荧光成像，分析环境的影响。例如，可以保持其他环境不变，改变温度，探测温度对待测样品性能的影响。另外，还可以向环境样品盒施加电场或磁场，例如，测试电源模块10可以向环境样品盒施加电场，由环境样品盒向待测样品施加离子迁移所需电场。通过环境样品盒的设置，实现了多物理外场的变换对待测样品的影响分析。
在一实施方式中，所述激发光模块包括：激光光源模块和受激发射损耗光源模块，如图2所示，所述激光光源模块包括：激光光源004、第一半透半反镜006b和第二半透半反镜007，所述激光光源004发射激光信号经过所述第一半透半反镜006b和所述第二半透半反镜007照射到待测样品001上；所述受激发射损耗光源005模块包括受激发射损耗光源005和第一反射镜006a，所述受激发射损耗光源005发射超分辨激光经过所述第一反射镜006a、所述第一半透半反镜006b和所述第二半透半反镜007照射到待测样品001上。
具体地，当开启激光光源004时，激光光源004发射的激光信号经过第一半透半反镜006b的透射和第二半透半反镜007的反射达到待测样品001上；当开启受激发射损耗光源005(Stimulated Emission Depletion,STED)光源时，STED光源输出的超分辨激光经过第一反射镜006a反射、第一半透半反镜006b反射以及第二半透半反镜007反射达到待测样品001上。其中，STED光源基本原理是采用两束激光同时照射样品，对于两束激光具体为两束同步同轴的激光，分别称为E光(激发光)和D光(损耗光)，其中E光的功率较小，波长也较短，D光则功率较大，波长较长，且为环状。其中一束激光即E光用来激发荧光分子，使物镜焦点艾里斑范围内的荧光分子处于激发态；同时，用另外一束中心光强为零的环形损耗激光即D光与之叠加，使物镜焦点艾里斑边沿区域处于激发态的荧光分子通过受激辐射损耗过程返回基态而不自发辐射荧光，因此只有中心区域的荧光分子可自发辐射荧光，从而获得超衍射极限的荧光发光点。
另外，在实际应用时，可以先开启激光光源，对待测样品的整个表面进行荧光激发；之后对于待测样品的局部结构，可以关闭激光光源，开启STED光源，实现对局部结构的超分辨成像。
在一实施方式中，如图2所示，所述信号探测模块包括：高光谱相机013、荧光寿命成像相机017、CCD相机012、单光子探测器014以及时间相关单光子计数器015；所述高光谱相机013用于接收荧光信号探测得到待测样品001的原位荧光光谱图像；所述荧光寿命成像相机017用于接收荧光信号探测得到待测样品001的荧光寿命成像图像；所述CCD相机012用于接收荧光信号探测得到待测样品001的荧光图像；所述单光子探测器014用于接收荧光信号，将所述荧光信号转换得到电信号；所述时间相关单光子计数器015用于根据所述电脉冲信号到达时间和参考信号达到时间，计算光子的时间分布。
其中，所述信号探测模块还包括：高频信号发生器016，所述高频信号发生器016连接激光光源004和时间相关单光子计数器015。具体地，高频信号发生器016向激光光源004输入所需的激光信号的信号频率，并将参考信号输入时间相关单光子计数器015。
具体地，荧光是指荧光分子吸收能量后，其处于基态S0的电子跃迁至激发态S1，经过短暂停留，由激发态S1再回到基态S0时释放出光的现象，而荧光分子停留在激发态的时间就是荧光寿命。与荧光光谱一样，荧光寿命也是荧光物质的一种内在特有性质。FLIM(Fluorescence Lifetime Imaging，荧光寿命成像)相机是一种基于荧光寿命的显微成像技术，其成像结果提供像素位点的寿命信息，使得在荧光强度成像之外，能更加深入地对样品进行功能性测量。其中，FILM相机可以使用扫描共聚焦荧光寿命成像和宽场频域荧光寿命成像两种成像模式，既能够对样品器件局部物理和化学变化进行更细致的观察，也能够对样品器件表面整体离子迁移进行更全面的分析。
单光子探测器和时间相关单光子计数器共同实现了荧光寿命的时域测量，时域测量的测量原理是利用快速秒表测量激发脉冲与探测荧光之间的时间差。例如使用高重复脉冲激发光激发样品，在每一个脉冲周期内，最多激发荧光分子发出一个光子，然后记录光子出现的时刻，并在该时刻记录一个光子，再下一个脉冲周期内也是相同的情况，经过多次计数可以得到荧光光子随时间的分布曲线。由此，在具体测量时，时间相关单光子计数器接收高频信号发生器输入的参考信号，同时接收单光子探测器输出的脉冲信号，记录每个时间间隔内的电压脉冲数，获得光子的时间分布，从而得到荧光寿命曲线。
微控制器同时接收FLIM相机的荧光寿命成像图像和时间相关单光子计数器输出的荧光寿命曲线，二者分别代表了待测样品在频域和时域上的特性，由此通过结合这两个结果，能够实现对待测样品的完整分析。另外，通过高光谱相机获取的原位荧光光谱图像，微控制器能够得到待测样品在各个波长的荧光光谱信息，确定不同成分的吸收和发射特征。通过CCD相机获取的荧光图像，能够实现对待测样品表面的完整观测，同时，通过该荧光图像还能获取荧光强度信息，实现对待测样品组分的分析。
在一实施方式中，为了实现对荧光的探测，设置接收光路模块将荧光信号输入至信号探测模块中。同时为了便于信号探测模块中各个结构的探测，如图2所示，设置所述接收光路模块包括：物镜003、长通滤波片008、第三半透半反镜009a、第四半透半反镜009b、第一聚焦透镜010a、第二聚焦透镜010b、第三聚焦透镜010c和光纤跳线011；所述荧光信号依次经过所述物镜003、所述长通滤波片008以及所述第三半透半反镜009a，经过所述第三半透半反镜009a反射以及所述第一聚焦透镜010a进入所述CCD相机012，经过所述第三半透半反镜009a透射、所述第四半透半反镜009b反射和所述第二聚焦透镜010b聚焦进入所述高光谱相机013，经过所述第四半透半反镜009b透射、所述第三聚焦透镜010c聚焦以及光纤跳线011分别进入所述荧光寿命成像相机017和所述单光子探测器014。
其中，长通滤波片用于将经过物镜的荧光进行滤波，去除进入信号探测模块中的杂波；三个聚焦透镜用于将进入信号探测模块的光聚焦，提高光线接收效率；两个半透半反镜用于改变荧光的传输方向，使得荧光进入信号探测模块的不同结构中。
在一实施方式中，该实时原位的荧光成像显微镜测试系统包括：测试电源模块、激发光模块、接收光路模块、信号探测模块、温度控制系统、仪器控制系统、压电微动平台以及微控制器；
如图2所示，其中，压电微动平台018用于放置待测样品001，仪器控制系统连接压电微动平台018，调节压电微动平台018的位置。温度控制系统用于调整待测样品001的温度。测试电源模块包括：数字源表002和探针，数字源表002通过探针连接待测样品001的电极，测试电源模块用于向待测样品001施加离子迁移所需电场。
激发光模块包括：激光光源模块和受激发射损耗光源模块，激光光源模块包括：激光光源004、第一半透半反镜006b和第二半透半反镜007，所述激光光源004发射激光信号经过所述第一半透半反镜006b和所述第二半透半反镜007照射到待测样品001上；所述受激发射损耗光源005模块包括受激发射损耗光源005和第一反射镜006a，所述受激发射损耗光源005发射超分辨激光经过所述第一反射镜006a、所述第一半透半反镜006b和所述第二半透半反镜007照射到待测样品001上。
接收光路模块包括：物镜003、长通滤波片008、第三半透半反镜009a、第四半透半反镜009b、第一聚焦透镜010a、第二聚焦透镜010b、第三聚焦透镜010c和光纤跳线011；所述荧光信号依次经过所述物镜003、所述长通滤波片008以及所述第三半透半反镜009a，经过所述第三半透半反镜009a反射以及所述第一聚焦透镜010a进入所述CCD相机012，经过所述第三半透半反镜009a透射、所述第四半透半反镜009b反射和所述第二聚焦透镜010b聚焦进入所述高光谱相机013，经过所述第四半透半反镜009b透射、所述第三聚焦透镜010c聚焦以及光纤跳线011分别进入所述荧光寿命成像相机017和所述单光子探测器014。
信号探测模块包括：高光谱相机013、荧光寿命成像相机017、CCD相机012、单光子探测器014以及时间相关单光子计数器015；所述高光谱相机013用于接收荧光信号探测得到待测样品001的原位荧光光谱图像；所述荧光寿命成像相机017用于接收荧光信号探测得到待测样品001的荧光寿命成像图像；所述CCD相机012用于接收荧光信号探测得到待测样品001的荧光图像；所述单光子探测器014用于接收荧光信号，将所述荧光信号转换得到电信号；所述时间相关单光子计数器015用于根据所述电脉冲信号到达时间和参考信号达到时间，计算光子的时间分布。
微控制器50同时接收FLIM相机的荧光寿命成像图像和时间相关单光子计数器输出的荧光寿命曲线，二者分别代表了待测样品001在频域和时域上的特性，由此通过结合这两个结果，能够实现对待测样品001的完整分析。另外，通过高光谱相机013获取的原位荧光光谱图像，微控制器50能够得到待测样品001在各个波长的荧光光谱信息，确定不同成分的吸收和发射特征。通过CCD相机012获取的荧光图像，能够实现对待测样品001表面的完整观测，同时，通过该荧光图像还能获取荧光强度信息，实现对待测样品001组分的分析。微控制器50还用于接收待测样品001在不同温度下的荧光成像，分析温度对待测样品001性能的影响。
本发明实施例提供的实时原位的荧光成像显微镜测试系统，能够在不损害原样品器件的条件下，通过计算机系统软件将数字源表和STED结合在一起，可以原位、实时观测储能与能量转化器件中的多物理场调控下，缺陷迁移以及相关的宏观光电性能数据，并且结合STED激发光源和高光谱相机，实现超过衍射极限的纳米量级分辨率荧光寿命和成像测试。此外，能够选择记录样品的高光谱图像，得到样品在各个波长的荧光光谱信息，可以确定不同成分的吸收和发射特征，从而更准确地观测样品在光场、电场、温度调控等多物理场条件下的组分迁移、光学性质变化等物理化学反应。在此基础上，能够使用扫描共聚焦荧光寿命成像和宽场频域荧光寿命成像两种成像模式，既能够对样品器件局部物理和化学变化进行更细致的观察，也能够对样品器件表面整体离子迁移进行更全面的分析。与其他离子迁移测试系统相比，该荧光成像显微镜测试系统操作更加简便，能以高分辨率快速捕获宽视场中的荧光成像图像，测试结果更加准确形象，能够原位、实时地获得多物理场调控下的离子迁移图像以及相关光电测试数据，通过微观图像与宏观数据相结合，更加全面地对器件的性能衰退过程和离子迁移进行分析。在针对自身不主动发光的锂离子电池等材料时，可以通过增加探针分子(例如发光的有机高分子或小分子等)，实现针对内部缺陷的探测和表征。
本发明实施例还提供一种实时原位的荧光成像显微镜测试方法，如图3所示，该方法包括如下步骤：
步骤S101：向待测样品施加离子迁移所需电场；具体地，可以通过数字源表和探针想待测样品施加指定电压，提供离子迁移所需电场。待测样品包括忆阻器等新型电路器件、锂离子电池或钠离子电池等储能和能量转换器件或者其他的半导体器件。此外待测样品也可以是半导体光电材料等
步骤S102：向待测样品照射激发光；所述激发光包括激光信号或超分辨激光。根据待测样品的位置，照射不同的激发光。
步骤S103：根据待测样品在激发光的照射下由光致发光产生的荧光信号进行荧光成像；具体地，可以采用高光谱相机、CCD相机、FLIM相机实现对荧光信号的荧光成像；同时还可以采用单光子探测器和时间相关单光子计数器实现荧光寿命的时域测量。
步骤S104：根据接收待测样品在不同时刻的荧光成像，计算待测样品中离子迁移参数和缺陷浓度。具体地，通过对荧光寿命成像图像进行分析，能够获取待测样品中缺陷浓度。同时微控制器通过获取的荧光成像图像，跟踪待测样品荧光分布随时间的变化，能够得到离子迁移前沿的速度与外电场在误差范围内正相关。由此，通过以下计算离子迁移参数。
离子迁移参数包括：离子迁移率和扩散系数；所述离子迁移率采用如下公式计算：
式中，μ表示离子迁移率，ν表示离子迁移的速度，通过不同时刻的荧光成像确定，E表示向待测样品施加的离子迁移所需电场；
扩散系数采用如下公式计算：D＝μkBT；
式中，D表示扩散系数，kB表示玻尔兹曼常数，T表示待测样品的温度。其中，待测样品的温度可以通过设置温度控制系统进行控制。
本发明实施例提供的实时原位的荧光成像显微镜测试方法，通过对待测样品施加电场并照射激发光，通过对待测样品产生的荧光进行成像分析，能够实时、原位地对器件中的离子在外加电场下的迁移过程进行观测，定性、定点和定量地观测样品器件中缺陷迁移及化学组分的变化，为宏观测试时样品的电流曲线变化以及性能变化提供直接证据，同时可以直接定量地确定材料中缺陷态密度和离子扩散常数，从而能够从微观上更深入地了解储能和能量转换器件性能衰退的根源，进而提高器件的性能。
在一实施方式中，结合上述实施例中的实时原位的荧光成像显微镜测试系统，该方法通过如下流程实现：
(1)将待测样品001置于环境样品盒之后，将环境样品盒放置于压电微动平台之上。
(2)利用仪器控制系统019，控制压电微动平台018，调节待测样品001位置至物镜003焦面之上。
(3)设置数字源表002输出指定电压，施加于待测样品001表面。
(4)设置高频信号发生器016输入激光光源的信号频率，并将参考信号输入时间相关单光子计数器015。
(5)打开激光光源004，选择是否打开受激发射损耗光源005，对待测样品001进行光激发。打开单光子探测器014对待测样品001所产生的荧光进行探测。
(6)通过CCD相机012拍摄待测样品001光致发光的局部图像，并进一步调节压电微动平台018的位置，使得待测样品001位于视场中央。
(7)使用高光谱相机013，通过仪器控制系统控制压电微动平台018进行纳米级水平位移，拍摄待测样品001光致发光的高光谱图像。
(8)使用时间相关单光子计数器015，统计待测样品001发出的光子到达时间与激发脉冲参考信号达到时间的间隔时间分布，获得荧光寿命曲线。
(9)通过仪器控制系统019控制压电微动平台018进行纳米级水平位移，使用荧光寿命成像相机017待测拍摄待测样品001荧光寿命成像图像。使用荧光寿命成像相机017控制高频信号发生器016对激光光源004进行调制，接收待测样品001光致发光强度信息，进行计算后获得样品宽场荧光寿命图像。
(10)通过跟踪待测样品001荧光分布随时间的变化，能够得到离子迁移前沿的速度与外电场在误差范围内成正相关，结合公式v＝μE和公式D＝μkBT，能够定量地计算得出离子迁移率μ和相应的扩散系数D。
虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。
此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (10)

1.一种实时原位的荧光成像显微镜测试系统，其特征在于，包括：测试电源模块、激发光模块、接收光路模块、信号探测模块以及微控制器，
所述测试电源模块用于向待测样品施加离子迁移所需电场；
所述激发光模块用于输出激发光照射至待测样品，所述激发光包括激光信号或超分辨激光；
所述接收光路模块用于接收待测样品在激发光的照射下由光致发光产生的荧光信号，将所述荧光信号传输至所述信号探测模块；
所述信号探测模块用于接收所述荧光信号进行荧光成像；
所述微控制器用于接收待测样品在不同时刻的荧光成像，计算待测样品中离子迁移参数和缺陷浓度。
2.根据权利要求1所述的实时原位的荧光成像显微镜测试系统，其特征在于，还包括：环境样品盒，待测样品设置在所述环境样品盒中；
所述环境样品盒用于调整待测样品的所处环境；
所述微控制器还用于接收待测样品在不同环境下的荧光成像，分析环境对待测样品性能的影响。
3.根据权利要求1所述的实时原位的荧光成像显微镜测试系统，其特征在于，所述激发光模块包括：激光光源模块和受激发射损耗光源模块，
所述激光光源模块包括：激光光源、第一半透半反镜和第二半透半反镜，所述激光光源发射激光信号经过所述第一半透半反镜和所述第二半透半反镜照射到待测样品上；
所述受激发射损耗光源模块包括受激发射损耗光源和第一反射镜，所述受激发射损耗光源发射超分辨激光经过所述第一反射镜、所述第一半透半反镜和所述第二半透半反镜照射到待测样品上。
4.根据权利要求1所述的实时原位的荧光成像显微镜测试系统，其特征在于，所述信号探测模块包括：高光谱相机、荧光寿命成像相机、CCD相机、单光子探测器以及时间相关单光子计数器；
所述高光谱相机用于接收荧光信号探测得到待测样品的原位荧光光谱图像；
所述荧光寿命成像相机用于接收荧光信号探测得到待测样品的荧光寿命成像图像；
所述CCD相机用于接收荧光信号探测得到待测样品的荧光图像；
所述单光子探测器用于接收荧光信号，将所述荧光信号转换得到电脉冲信号；
所述时间相关单光子计数器用于根据所述电脉冲信号到达时间和参考信号达到时间计算光子的时间分布。
5.根据权利要求4所述的实时原位的荧光成像显微镜测试系统，其特征在于，所述信号探测模块还包括：高频信号发生器，所述高频信号发生器连接所述激发光模块和时间相关单光子计数器，向所述激发光模块输入激发光所需信号频率，向时间相关单光子计数器输入参考信号。
6.根据权利要求4所述的实时原位的荧光成像显微镜测试系统，其特征在于，所述接收光路模块包括：物镜、长通滤波片、第三半透半反镜、第四半透半反镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜和光纤跳线；
所述荧光信号依次经过所述物镜、所述长通滤波片以及所述第三半透半反镜，经过所述第三半透半反镜反射以及所述第一聚焦透镜进入所述CCD相机，经过所述第三半透半反镜透射、所述第四半透半反镜反射和所述第二聚焦透镜聚焦进入所述高光谱相机，经过所述第四半透半反镜透射、所述第三聚焦透镜聚焦以及光纤跳线分别进入所述荧光寿命成像相机和所述单光子探测器。
7.根据权利要求1所述的实时原位的荧光成像显微镜测试系统，其特征在于，还包括：仪器控制系统和压电微动平台，所述压电微动平台用于放置待测样品，所述仪器控制系统连接所述压电微动平台，调节所述压电微动平台的位置。
8.根据权利要求1所述的实时原位的荧光成像显微镜测试系统，其特征在于，所述测试电源模块包括：数字源表和探针，所述数字源表通过所述探针连接待测样品的电极。
9.一种实时原位的荧光成像显微镜测试方法，其特征在于，包括：
向待测样品施加离子迁移所需电场；
向待测样品照射激发光，所述激发光包括激光信号或超分辨激光；
根据待测样品在激发光的照射下由光致发光产生的荧光信号进行荧光成像；
根据接收待测样品在不同时刻的荧光成像，计算待测样品中离子迁移参数和缺陷浓度。
10.根据权利要求9所述的实时原位的荧光成像显微镜测试方法，其特征在于，离子迁移参数包括：离子迁移率和扩散系数；
所述离子迁移率采用如下公式计算：
式中，μ表示离子迁移率，ν表示离子迁移的速度，通过不同时刻的荧光成像确定，E表示向待测样品施加的离子迁移所需电场；
扩散系数采用如下公式计算：D＝μkBT；
式中，D表示扩散系数，kB表示玻尔兹曼常数，T表示待测样品的温度。
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