CN216013567U - 一种电致和光致瞬态共表征系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供了一种电致和光致瞬态共表征系统，包括：时钟控制器，配置为向光致发光触发设备和电致发光触发设备发送时钟控制信号；延迟器，与光致发光触发设备或电致发光触发设备连接，配置为按照预定延时时间调整光致发光触发设备和电致发光触发设备的工作时差；时间相关光电计数器，与单光子探测器连接，配置为根据接收到的时钟控制信号控制单光子探测器采集光子，并统计单光子探测器接收到光子的数量；光致发光触发设备，配置为向待测体发射预定波长的光；电致发光触发设备，配置为向待测体施加驱动电学驱动；测试台，与电致发光触发设备连接，配置为承载待测体；单光子探测器，配置为接收来自待测体电致发光或光致发光产生的光。

Description

一种电致和光致瞬态共表征系统

技术领域

本实用新型涉及光电领域，特别涉及一种电致和光致瞬态共表征系统。

背景技术

发光二极管的工作原理是通过外部电压将电子空穴两种载流子从二极管两端注入，电子空穴在发光层相遇，通过辐射复合发光。对发光二极管的发光过程机理研究以及电荷空穴的注入情况的监测对于改进器件结构、提升器件性能是十分重要的。

瞬态电致发光(即EL)技术可以反应出电致发光器件的发光时间延迟和拖尾时间，以及器件内部的载流子注入、传输、累积、俘获以及迁移率等特性，因而被应用于研究电致发光器件的发光过程及原理。

最基本的瞬态电致发光技术是采用周期性的单一脉冲电压作为驱动电源加载在电致发光器件上，并使用光探测器接受电致发光信号并绘制器件EL开启和关闭曲线。现有的测量系统要么只能测量电学瞬态(即transient EL)，要么只能测量光学瞬态(即transient PL，简称为TRPL)，这样的测量方法只能够得到最终已经建立电学平衡时的信息(如TRPL)，或者只得到了综合的LED开启或者关闭信息，对光致发光性能在器件开关的瞬态时候无法进行测量，无法观察器件的微观变化过程。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提出了一种电致和光致瞬态共表征系统，用以解决现有技术的如下问题：现有的测量系统只能测量电学瞬态或光学瞬态，对光致发光性能在器件开启关闭的瞬态时刻无法进行测量，无法观察器件的微观变化过程。

一方面，本实用新型实施例提出了一种电致和光致瞬态共表征系统，包括：时钟控制器，配置为向光致发光触发设备和电致发光触发设备发送时钟控制信号，以控制所述光致发光触发设备和所述电致发光触发设备工作；延迟器，与所述光致发光触发设备或所述电致发光触发设备连接，配置为按照预定延时时间调整所述光致发光触发设备和所述电致发光触发设备的工作时差；所述时间相关光电计数器，与单光子探测器连接，配置为根据接收到的所述时钟控制信号控制单光子探测器采集光子，并统计所述单光子探测器接收到光子的数量；所述光致发光触发设备，配置为根据接收到的所述时钟控制信号向待测体发射预定波长的光；电致发光触发设备，配置为根据接收到的所述时钟控制信号向待测体施加电学驱动；测试台，与所述电致发光触发设备连接，配置为承载所述待测体；所述单光子探测器，配置为接收来自所述待测体电致发光或光致发光产生的光。

在一些实施例中，还包括：透反镜，设置在所述测试台和所述单光子探测器之间，配置为将来自所述光致发光触发设备的所述预定波长的光反射至所述待测体，和/或将所述待测体电致发光或光致发光产生的光透射至所述单光子探测器。

在一些实施例中，所述延迟器，具体配置为在接收到所述时钟控制信号之后的预定延时时间结束时，发出延时的控制信号给下一级设备，控制所述光致发光触发设备或所述电致发光触发设备工作。

在一些实施例中，所述电致发光触发设备为脉冲驱动电源。

在一些实施例中，所述光致发光触发设备为脉冲激光器。

在一些实施例中，所述脉冲激光器为皮秒或飞秒脉冲激光器。

在一些实施例中，所述延迟器为纳秒精度电学延迟器。

在一些实施例中，在所述延迟器配置为与所述光致发光触发设备连接时，所述延迟器还与所述时间相关光电计数器连接，或者，所述光致发光触发设备还与所述时间相关光电计数器连接。

在一些实施例中，所述测试台，还配置为接收所述电致发光触发设备施加的电学驱动，并将所述电学驱动施加在所述待测体上，以实现所述待测体的电光转换。

本实用新型实施例通过电致发光触发设备驱动待测体工作，同时设置有光致发光触发设备对待测体进行照射，且通过设置的延迟器调整接收到时钟控制信号时光致发光触发设备和电致发光触发设备工作带来的时差，保证系统工作时间一致，进而时间相关光电计数器能够准确的获取对应时刻的光子信息；当延迟器的预定延时时间调整，就能够获取到不同时刻的光子信息，进而得到待测体在不同时间点的发光寿命和发光效率变化的曲线，积分时间越久，能够观测到的数据越多，越能观察到准确的发光体发射的光子统计，从整体上观察待测体的微观变化过程，利于提升器件性能。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本公开中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的电致和光致瞬态共表征系统的架构示意图一；

图2为本实用新型实施例提供的电致和光致瞬态共表征系统的架构示意图二；

图3为本实用新型实施例提供的电致和光致瞬态共表征系统的架构示意图三；

图4为本实用新型实施例提供的电致和光致瞬态测量方法的流程图；

图5为本实用新型实施例提供的电致和光致瞬态共表征系统工作时的信号时序示意图。

附图标记：

1-时钟控制器，2-延迟器，3-时间相关光电计数器，4-光致发光触发设备，5-电致发光触发设备，6-测试台，7-单光子探测器，8-透反镜。

具体实施方式

为了使得本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

除非另外定义，本实用新型使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

为了保持本实用新型实施例的以下说明清楚且简明，本实用新型省略了已知功能和已知部件的详细说明。

本实用新型实施例提供了一种电致和光致瞬态共表征系统，其结构示意如图1所示，包括：

时钟控制器1，配置为向光致发光触发设备4和电致发光触发设备5发送时钟控制信号，以控制光致发光触发设备4和电致发光触发设备5工作；延迟器2，与光致发光触发设备4或电致发光触发设备5连接，配置为按照预定延时时间调整光致发光触发设备4和电致发光触发设备5的工作时差；时间相关光电计数器3，与单光子探测器7连接，配置为根据接收到的时钟控制信号控制单光子探测器7采集光子，并统计单光子探测器7接收到光子的数量；光致发光触发设备4，配置为根据接收到的时钟控制信号向待测体发射预定波长的光；电致发光触发设备5，配置为根据接收到的时钟控制信号向待测体施加电学驱动；测试台6，与电致发光触发设备5连接，配置为承载待测体；单光子探测器7，配置为接收来自待测体电致发光或光致发光产生的光。

具体实现时，在延迟器2配置为与光致发光触发设备4连接时，延迟器2还与时间相关光电计数器3连接，或者，光致发光触发设备4还可以与时间相关光电计数器3连接。

对于上述延迟器，具体配置为在接收到时钟控制信号之后的预定延时时间结束时，控制光致发光触发设备或电致发光触发设备工作，进而可以驱动电致发光触发设备5比光致发光触发设备4和时间相关光电计数器3(简称为TCSPC)提前一定时间工作，例如提前20ns。

上述图1仅为本实用新型实施例的一种可能实现情况，图中虚线框和实线框分别表示的两个延迟器不同时存在，即一个电致和光致瞬态共表征系统中只有一个延迟器，如果采用实线框位置的延迟器，则虚线框位置的延迟器则不存在，如果虚线框位置的延迟器存在，则实线框位置的延迟器不存在；图1用虚线框表示延迟器是为了指导本领域技术人员其可以将延迟器设置在不同的位置，并不对本实用新型实施例构成限定。

延迟器可以放置在脉冲驱动电源前面，通过配合光致发光触发设备4的重复率，可以达到同样的效果。因为电学参与可以后进入，所以从这点上讲，采用虚线框的设置更加直接；但是如果电致发光触发设备5的时间准确性比较差(jitter较大)的时候，会造成延迟器的控制失效，这时候采用实线框的设计就是优选，但是这种情况下需要作负延迟(-δt)或者跨越周期(T-δt))。

对于测试台，其可以具有待测体进行驱动的触发接口，进而配置为接收电致发光触发设备施加的电学驱动，并将电学驱动施加在待测体上，以实现待测体的电光转换。使用时，电致发光触发设备的电学驱动施加到测试台，待测体只要放置在测试台上既可以与触发接口连接，进而被电学驱动，无需操作人员为了即将施加的电学驱动而对待测体进行繁琐的连接操作，待测体直接防止在测试台上，光致发光触发设备发射的预定波长的光也可以直接对待测体进行光学激发。

本实用新型实施例通过电致发光触发设备驱动待测体工作，同时设置有光致发光触发设备对待测体进行照射，且通过设置的延迟器调整接收到时钟控制信号时光致发光触发设备和电致发光触发设备工作带来的时差，保证系统工作时间一致，进而时间相关光电计数器能够准确的获取对应时刻的光子信息；当延迟器的预定延时时间调整，就能够获取到不同时刻的光子信息，进而得到待测体在不同时间点的发光寿命和发光效率变化的曲线，积分时间越久，能够观测到的数据越多，越能观察到准确的发光体发射的光子统计，从整体上观察待测体的微观变化过程，利于提升器件性能。

上述电致和光致瞬态共表征系统还可以如图2所示，包括：透反镜8，设置在测试台6和单光子探测器7之间，配置为将来自光致发光触发设备4的预定波长的光反射至待测体，和/或将待测体电致发光或光致发光产生的光透射至单光子探测器7。

具体实现时，上述电致发光触发设备5可以为脉冲驱动电源，上述光致发光触发设备4可以为脉冲激光器，上述延迟器2可以为纳秒精度或者精度更高的电学延迟器。为了更加精细的测量到待测体的发光寿命和发光效率变化，上述脉冲激光器可以为皮秒或飞秒脉冲激光器。

本实用新型实施例还提供了一种电致和光致瞬态测量方法，该方法应用本实用新型上述实施例的电致和光致瞬态共表征系统，具体实现时，可以通过计算机的CPU实现，其架构可以如图3所示，其流程可以如图4所示，包括步骤S401至S402：

S401，通过时间相关光电计数器获取第一积分时间内预定延时时间对应的光子信息；

S402，根据光子信息确定待测体的光致发光性能，其中，光致发光性能包括光致发光寿命和光致发光相对发光效率。

本实用新型实施例应用电致和光致瞬态共表征系统，通过时间相关光电计数器获取第一积分时间(即第一次测量)内预定延时时间对应的光子信息，进而根据光子信息就能够确定待测体的光致发光性能，弥补了现有技术中只能测量光学瞬态的缺点，实现了光学性能的多微观状态监测。

在实现上述S401之前，可以先确定系统配置参数，其中，系统配置参数至少包括：电致发光触发设备的开启电压、关闭电压、脉冲长度，光致发光触发设备的预定波长、重复周期，时钟控制器的发生时钟控制信号的周期，和延迟器的预定延时时间；再根据系统配置参数配置电致和光致瞬态共表征系统，并在配置完成后发送时钟控制信号，以获取光子信息。

在通过时间相关光电计数器获取第一积分时间内预定延时时间对应的光子信息之后，如果想要获取其它时间点的光子信息，可以将延迟器的预定延时时间调整为一个新的预定延时时间，并继续按照新的预定延时时间获取第二积分时间内的光子信息。其中，上述的第二积分时间(即第二次测量)和第一积分时间可以相同也可以不同。

如图5所示，为电致和光致瞬态共表征系统工作时的信号时序示意图，时钟控制器1产生触发信号(即时钟控制信号)，触发系统开始工作，光致发光触发设备4(对应脉冲激光光强)和单光子探测器7(对应单光子计数器信号)都在预定延时时间结束时，才开始工作，而电致发光触发设备5(对应脉冲电压驱动)在接收到触发信号就开始了工作，产生方波；图5中单光子计数器信号为图中预定延时时间结束的时间点上的上升尖头波形，而图中的虚线曲线为电致发光对应的衰减曲线，为了能够更好的确定待测体发光的平衡建立的过程，上述预定延时时间对应的光子信息为电致发光衰减曲线中上升沿的对应瞬态时间点的发光体发光特性，即光子信息。图5只画出了一个触发信号和两个脉冲激光束引发的计数器信号，实际上，计数器可以通过多周期积分时间来获得可靠的测量曲线，此处不再赘述。

下面，结合具体实施例对上述系统及方法进行进一步说明。

系统组成部分：

测量系统由一个主时钟(即时钟控制器1)和一个纳秒或者皮秒精度的时间延迟器(比如TOMBAK的pulse delay generator，型号DDG-Tombak，延迟范围10ps到1000s)来协调瞬态PL系统(即光致发光触发设备4)和瞬态EL系统(即电致发光触发设备5)的时间。其瞬态EL或者瞬态PL可以采用任何当今可以使用的任何技术，比如TRPL可以使用TCSPC或者stream camera技术。

系统连接及运行方式：

时钟控制器发出协同的信号trigger，给瞬态PL系统(比如TCSPC和脉冲激光器)和瞬态EL系统(比如脉冲驱动电源)。一个纳秒或者皮秒精度的时间延迟器被置放在主时钟和瞬态PL系统之间，控制采样时间点。通过多个trigger周期的积分，得到一个时间点的PL寿命和PL相对发光效率。通过扫描延迟器的时间，可以得到PL寿命在器件开启的不同时间点的寿命和发光效率变化的曲线。

下降沿通常时间比较长，不需要特别设计高精度的时控装置，就可以捕捉瞬态。上升沿通常比下降沿的时间更短，甚至短于一般的激光器的两个脉冲的间距(几百个纳秒)，所以这个瞬态通常难以捕捉。上升沿在讨论器件效率的建立比下降沿有优势在于，它反映了器件中器件发光的平衡建立的过程(电场加上，载流子流向发光层，载流子注入发光层，注入达到平衡)，而下降沿由于电场已经释放，其瞬态体现的是不同的信息，是剩余载流子退出耗尽区和缺陷态重新激活参与发光的信息。

系统调试参数：

脉冲驱动电源的脉冲宽度调节范围：1ns到10s；

脉冲驱动电源的脉冲周期长度调节范围：100ns至10s；

脉冲驱动电源的脉冲循环次数：1到无穷；

脉冲驱动电源的电压调节范围：-1000V到1000V；

脉冲驱动电源的脉冲占空比调节：0到100％；

时钟控制器的延迟调节范围：10ps到1000s；

激光器的波长、能量、脉冲宽度和重复周期：可见光，0-1W，100fs至1ns，10ns至0.1s；

按照具体设备情况，将脉冲驱动电源和脉冲激光器设置成相同周期(比如1μs)将大大简化信号处理的工作量；

单光子计数的积分时间0到无穷。

下述实施例的器件以ITO/PEDOT:PSS/TFB/RQD/ZnO/Al为例进行说明。

实施例1(开启LED的EL/PL共瞬态表征)

脉冲驱动电源的脉冲开启电压设为3V，关闭电压设为0V，脉冲长度20μs。

脉冲激光波长为532nm，重复周期为100ns。

时钟控制器的触发信号的周期为100μs，驱动电源比脉冲激光和TCSPC提前50ns。

积分时间10分钟。

实施例2(用小于LED开启电压的电压驱动LED，观察LED的预开启瞬态)

驱动电源的脉冲开启电压设为1.2V(小于LED的开启电压)，关闭电压设为0V，脉冲长度20μs。

脉冲激光波长为532nm，重复周期为100ns。

时钟控制器的触发信号的周期为100μs，驱动电源比脉冲激光和TCSPC提前50ns。

积分时间10分钟。

实施例3(反压LED瞬态表征，观察反向释放束缚电荷的瞬态对于发光层发光的影响过程)

驱动电源的脉冲开启电压设为-10V，关闭电压设为0V，脉冲长度20μs。

脉冲激光波长为532nm，重复周期为100ns。

时钟控制器的触发信号的周期为100μs，驱动电源比脉冲激光和TCSPC提前10ns、20ns、50ns、70ns、100ns。

每个时间点积分时间5分钟。捕捉电压上升沿的时间节点上10ns、20ns、50ns、70ns、100ns的TCSPC寿命。

延迟器为调整上面每个时间点的主体，即调节10ns、20ns等。

实施例4(开启并且反压释放电荷的LED瞬态表征)

反向偏压可以帮助清空器件中的电荷，重置器件内部的电荷分布，加入这个反向偏压可以用来观察这些电荷对于器件操作的影响。

驱动电源的脉冲开启电压设为3V，关闭电压设为-10V，脉冲长度20μs。

脉冲激光波长为532nm，重复周期为100ns。

时钟控制器的触发信号的周期为100μs，驱动电源比脉冲激光和TCSPC提前20ns。

积分时间30分钟。

上述积分时间会影响数据精度，具体按照每次测量的情况进行调整。

本实用新型实施例通过同步电致发光和光致发光，将LED的开启和关闭的过程进行详细的取样，特别是对量子点LED，可以详细研究某个具体器件有没有达到优化的效率的原因。

理想情况下优化光致发光效率的量子点即能够做出优化的电致发光的器件，但实际上这两者常常不能够统一。一个重要原因是电子和空穴的注入发光区的速度不一致。举例子讲，量子点在不加偏压的状态下是中性的，当偏压加上的时候，势垒小，迁移率高，载流子浓度大的一端将首先注入，弱势的一端随后，这样子量子点内首先会产生电荷的积累，量子效率降低，光致发光寿命变短。但是随着电荷积累导致的界面电场区建立，以及速度较慢的载流子集体大量达到量子点，弱势的一端载流子会通过一个瞬态过程，借助最终的平衡状态下的界面电场，最终达到与强势一端平衡注入的状态。

观察这个瞬态过程的帮助：能够直接反应了器件中载流子注入从施加偏压开始时候的不平衡到建立补偿机制到达准平衡的过程，利用这两个状态的偏离了解QLED在持续工作下的补偿状态；能够通过对比不同器件的这些瞬态表征了解器件性能改善的原因；因为显示器件通常是使用PWM的方式脉冲驱动的，所以研究这个过程对未来显示器件的设计有指导意义；能够做到电学同步精确到10ps-10ns，可以达到捕捉瞬态的要求。

此外，尽管已经在本文中描述了示例性实施例，其范围包括任何和所有基于本实用新型的具有等同元件、修改、省略、组合(例如，各种实施例交叉的方案)、改编或改变的实施例。权利要求书中的元件将被基于权利要求中采用的语言宽泛地解释，并不限于在本说明书中或本申请的实施期间所描述的示例，其示例将被解释为非排他性的。因此，本说明书和示例旨在仅被认为是示例，真正的范围和精神由以下权利要求以及其等同物的全部范围所指示。

以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。例如，上述示例(或其一个或更多方案)可以彼此组合使用。例如本领域普通技术人员在阅读上述描述时可以使用其它实施例。另外，在上述具体实施方式中，各种特征可以被分组在一起以简单化本实用新型。这不应解释为一种不要求保护的公开的特征对于任一权利要求是必要的意图。相反，本实用新型的主题可以少于特定的公开的实施例的全部特征。从而，以下权利要求书作为示例或实施例在此并入具体实施方式中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施例，并且考虑这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。本实用新型的范围应参照所附权利要求以及这些权利要求赋权的等同形式的全部范围来确定。

以上对本实用新型多个实施例进行了详细说明，但本实用新型不限于这些具体的实施例，本领域技术人员在本实用新型构思的基础上，能够做出多种变型和修改实施例，这些变型和修改都应落入本实用新型所要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种电致和光致瞬态共表征系统，其特征在于，包括：

时钟控制器，配置为向光致发光触发设备和电致发光触发设备发送时钟控制信号，以控制所述光致发光触发设备和所述电致发光触发设备工作；

延迟器，与所述光致发光触发设备或所述电致发光触发设备连接，配置为按照预定延时时间调整所述光致发光触发设备和所述电致发光触发设备的工作时差；

时间相关光电计数器，与单光子探测器连接，配置为根据接收到的所述时钟控制信号控制单光子探测器采集光子，并统计所述单光子探测器接收到光子的数量；

所述光致发光触发设备，配置为根据接收到的所述时钟控制信号向待测体发射预定波长的光；

所述电致发光触发设备，配置为根据接收到的所述时钟控制信号向待测体施加电学驱动；

测试台，与所述电致发光触发设备连接，配置为承载所述待测体；

所述单光子探测器，配置为接收来自所述待测体电致发光或光致发光产生的光。

2.如权利要求1所述的电致和光致瞬态共表征系统，其特征在于，还包括：

透反镜，设置在所述测试台和所述单光子探测器之间，配置为将来自所述光致发光触发设备的所述预定波长的光反射至所述待测体，和/或将所述待测体电致发光或光致发光产生的光透射至所述单光子探测器。

3.如权利要求1所述的电致和光致瞬态共表征系统，其特征在于，

所述延迟器，具体配置为在接收到所述时钟控制信号之后的预定延时时间结束时，发出延时的控制信号给下一级设备，控制所述光致发光触发设备或所述电致发光触发设备工作。

4.如权利要求1至3中任一项所述的电致和光致瞬态共表征系统，其特征在于，所述电致发光触发设备为脉冲驱动电源。

5.如权利要求1至3中任一项所述的电致和光致瞬态共表征系统，其特征在于，所述光致发光触发设备为脉冲激光器。

6.如权利要求5所述的电致和光致瞬态共表征系统，其特征在于，所述脉冲激光器为皮秒或飞秒脉冲激光器。

7.如权利要求1至3中任一项所述的电致和光致瞬态共表征系统，其特征在于，所述延迟器为纳秒精度电学延迟器。

8.如权利要求1至3中任一项所述的电致和光致瞬态共表征系统，其特征在于，在所述延迟器配置为与所述光致发光触发设备连接时，所述延迟器还与所述时间相关光电计数器连接，或者，所述光致发光触发设备还与所述时间相关光电计数器连接。

9.如权利要求1至3中任一项所述的电致和光致瞬态共表征系统，其特征在于，所述测试台，还配置为接收所述电致发光触发设备施加的电学驱动，并将所述电学驱动施加在所述待测体上，以实现所述待测体的电光转换。

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