DE102014221525A1 - Messsystem - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messsystem, umfassend ein Substrat mit einer auf dem Substrat angeordneten Quantenpunktschicht, welche ein Emissionssegment mit einer ersten Vielzahl von Quantenpunkten umfasst und die erste Vielzahl eine mittlere erste Energielücke besitzt, wobei die erste Vielzahl eine zur mittleren ersten Energielücke korrespondierende Strahlung emittieren kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Quantenpunktschicht mindestens ein Absorptionssegment mit einer zweiten Vielzahl von Quantenpunkten umfasst und die zweite Vielzahl eine mittlere zweite Energielücke besitzt, welche kleiner als die mittlere erste Energielücke ist, so dass durch das Emissionssegment emittierte Strahlung durch das Absorptionssegment absorbierbar ist.

Description

  • Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist ein Messsystem nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.
  • Ein Quantenpunkt ist eine nanoskopische Materialstruktur, welche bei elektrischer Anregung entsprechend ihrer Bandlücke durch die Erzeugung von Elektronen-Lochpaaren Photonen emittieren. Entsprechend können bei dem Auftreffen von Photonen auf die nanoskopische Materialstruktur Elektronen-Lochpaare erzeugt werden. Auf diese Weise ist es möglich, auf der Basis von Quantenpunkten sowohl emittierende Elemente, wie beispielsweise LEDs, und detektierende Elemente, wie beispielsweise Photodetektoren, zu schaffen. Die Verwendung von Quantenpunkten in der Messtechnik ist bislang nicht bekannt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Messsystem zur Verfügung zu stellen, welches einfach aufgebaut und einfach herstellbar ist.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch ein Messsystem nach den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie eine Herstellung eines derartigen Messsystems.
  • Die optische Messtechnik ist in vielen technischen Bereichen, wie zum Beispiel der analytischen Messtechnik, der Qualitätssicherung, der Nachrichtentechnik oder der Sicherheitstechnik in Form von spektralen Sensoren, optischen Lichtschranken oder Distanzsensoren weit verbreitet. Insbesondere der spektralen Messtechnik kommt hierbei ein hoher Stellenwert zu, da durch die Reflexions- und Transmissionseigenschaften der zu untersuchenden Materialien wichtige Informationen über die quantitative und qualitative Zusammensetzung der Materialien selbst gewonnen werden können.
  • Ein Großteil spektraler Sensoren wird aus einer Vielzahl optischer Komponenten, wie zum Beispiel Lichtquellen (Festkörperhalbleiter, thermischer Strahler, Detektoren, Festkörperhalbleiter) und weiteren bild- und formgebenden Elementen (Linsen, Spiegel, Justiereinrichtungen) gefertigt.
  • Etablierte spektrale Messgeräte können in dispersive, nicht-dispersive sowie in auf Interferometrie beruhende Spektrometer unterteilt werden. Für einen flexiblen, kostengünstigen sensorischen Einsatz wie es beispielsweise in der Prozessmesstechnik, im Bereich des Condition- und Health-Monitoring bzw. Consumer- oder Food-Anwendungen notwendig wäre, eignen sich diese Spektrometer aufgrund des vergleichsweise hohen Preises bzw. den äußeren Abmessungen bzw. dem komplizierten Aufbau jedoch nicht.
  • Es finden sich Lösungsansätze für miniaturisierte und kostengünstig herstellbare Spektrometer auf der Basis von Mikrosystemtechnik, wobei hier insbesondere Halbleiter, Leucht- und Fotodioden diskutiert werden. Hierbei sind jedoch relativ aufwendige Herstellungstechnologien und damit hohe Kosten verbunden.
  • Das hier vorgestellte Messsystem überwindet einige der oben aufgeführten Schwierigkeiten. Das Messsystem umfasst ein Substrat mit einer auf dem Substrat angeordneten Quantenpunktschicht. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das Messsystem eine Quantenpunktschicht umfasst, welche ein Emissionssegment und ein Absorptionssegment aufweist. Das Emissionssegment umfasst eine erste Vielzahl von Quantenpunkten, wobei die erste Vielzahl eine mittlere erste Energielücke besitzt, und eine zur mittleren ersten Energielücke korrespondierende Strahlung emittiert werden kann. Die Emission von Strahlung kann beispielsweise durch eine angelegte Spannung angeregt werden. Das Emissionssegment ist geeignet, Strahlung beispielsweise im optischen, mittleren bis nahen Infrarot oder weichen UV-Bereich zu emittieren.
  • Das Absorptionssegment umfasst eine zweite Vielzahl von Quantenpunkten, wobei die zweite Vielzahl eine mittlere zweite Energielücke besitzt, welche kleiner als die mittlere erste Energielücke ist, so dass durch das Emissionssegment emittierte Strahlung durch das Absorptionssegment absorbierbar ist.
  • Eine Vielzahl von Quantenpunkten besitzt ein gemeinsames Spektrum, d. h. eine Energieverteilung, zumeist in Form einer Gauß-Kurve. Diese spiegelt beispielsweise die gaußförmige Größenverteilung der Quantenpunkte des jeweiligen Emissions- bzw. Absorptionssegments um einen statistisch häufig auftretenden Wert wieder. Als mittlere Energielücke wird nunmehr die Energie bezeichnet, bei welcher das Spektrum ein Maximum besitzt. Je nachdem wie die Größe der einzelnen Quantenpunkte sich im jeweiligen Emissions- bzw. Absorptionssegment verteilt, weist die Gaußverteilung eine schmalere oder eine breitere Verteilung auf. Als Kriterium kann hierbei das „full width at half maximum” (FWHM) herangezogen werden, um die Emissions- bzw. Absorptionsspektren näher zu charakterisieren.
  • Dadurch dass die mittlere erste Energielücke, d. h. die Energielücke des Emissionssegments, größer ist als die mittlere zweite Energielücke, d. h. die Energielücke des Absorptionssegments, wird sichergestellt dass durch das Emissionssegment emittierte Strahlung von den Quantenpunkten des Absorptionssegmentes absorbierbar ist.
  • Um die mittlere Energielücke des Absorptions- bzw. Emissionssegments einzustellen, können Quantenpunkte verschiedener Materialien oder Größen verwendet werden. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wird beispielsweise auf verschiedene Materialien für die Quantenpunkte der verschiedenen Segmente zurückgegriffen werden, wobei die verschiedenen Materialien unterschiedliche mittlere Energielücken bewirken. In anderen Ausführungsformen ist es möglich, für die Quantenpunkte des Absorptions- und des Emissionssegments dasselbe Material zu verwenden, und die mittlere Energielücke über die Größenverteilung der Quantenpunkte im jeweiligen Segment einzustellen.
  • Durch Variation der Materialzusammensetzung des Emissions- bzw. Absorptionssegments können beispielsweise auch Energieverteilungen eingestellt werden, welche mehr als ein Maximum aufweisen. Als Maximum wird hierbei ein Energiewert einer (geglätteten Energieverteilung) betrachtet, welcher zumindest um beispielsweise einen Energiewert, welcher der Breite des FWHM entspricht von einer mittleren Energielücke versetzt liegt. Durch eine Mischung von Materialien innerhalb eines Segments, so dass eine Energieverteilung mit zwei verschiedenen Maxima zustande kommt, können durch Anlegen einer entsprechenden Steuerspannung dann jeweils das eine oder das andere Maximum zur Emission angeregt werden. Durch eine entsprechende Variation des elektrischen Feldes können ggf. auch beide Energielücken angesprochen werden. In einer Ausführungsform ist bei einer Energieverteilung des Emissionssegments mit mehr als einer mittleren Energielücke, die zweite mittlere Energielücke des Absorptionssegments kleiner als die Energielücke des energiereicheren Maximums. In anderen Ausführungsformen ist die zweite mittlere Energielücke kleiner als das energieärmste Maximum des Emissionssegments. In den Fällen einer Energieverteilung mit mehr als einem Maximum kann der Begriff der mittleren Energielücke auch durch eine Energielücke, an welcher die Energieverteilung ein (in manchen Ausführungsformen lokales) Maximum aufweist, ersetzt werden. In den Fällen in welchen das Absorptionssegment eine Energieverteilung mit mehr als einem Maximum umfasst, kann in manchen Ausführungsformen das energiereichste Maximum kleiner sein als das energiereichste Maximum des Emissionssegments oder alternativ kleiner sein als das energieärmste Emissionsspektrum des Emissionssegments.
  • Das Emissionssegment und das Absorptionssegment sind vorzugsweise jeweils einfach zusammenhängend, d. h. sie bilden für sich genommen eine zusammenhängende Fläche, welche beispielsweise aneinander angrenzen oder durch einen quantenpunktfreien Abschnitt der Quantenpunktschicht voneinander beabstandet sind. Der quantenpunktfreie Abschnitt kann beispielsweise eine dem Emissions- oder Absorptionssegment vergleichbare Breite aufweisen, kann jedoch auch auf eine kleine Breite reduziert werden. Ein zusammenhängendes Segment vereinfacht zudem die elektrische Ansteuerung der einzelnen Segmente.
  • Beispielsweise kann die Quantenpunktschicht Quantenpunkte umfassen, die je nach Größe und Material bei Energien zwischen 0,2 und 4 eV emittieren. Als Quantenpunkte können beispielsweise Nanokristalle mit mindestens einer Hülle der Halbleitermaterialien CdSe, CdTe, CdS, GaAs, GaSb, HgTe, InAs, InP, InSb, PbSe, PbS, PbTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, Ge, ZnO oder Si. Beispielsweise ist ein Quantenpunkt aus einer Kern/Hülle Kombination CdSe/CdS oder InP/ZnS aufgebaut.
  • Wie oben erwähnt, kann eine Energieverteilung einer Vielzahl von Quantenpunkten eine mittlere Energielücke Emax zwischen 0,2 eV und 4 eV besitzen. Das FWHM ΔEFWHM einer derartigen Energieverteilung kann absolut zwischen 10 meV und 2 eV betragen. Das Verhältnis des FWHM zur mittlere Energielücke der Energieverteilung ΔEFWHM/Emax kann zwischen 0,005 und 0,5, ein einer weiteren Ausführungsform zwischen 0,02 und 0,2 bzw. 0,03 und 0,1 oder 0,01 und 0,1 liegen.
  • Die Energieverteilungen der ersten und zweiten Vielzahl der Quantenpunkte können in verschiedenen Bereichen des Spektrums zueinander verschieden ausgebildet sein. Neben den oben angegebenen Werten bzw. Werteintervallen für Emax. ΔEFWHM oder ΔEFWHM/Emax können die erste und zweite Energieverteilung im sichtbaren Spektrum überlappend ausgebildet sein, d. h. der Abstand der mittleren Energielücken der ersten, zweiten bzw. dritten oder weiteren Energielücke voneinander ist im Bereich weniger FWHM der Energieverteilungen, beispielsweise weniger als 2 FHWM, und/oder im nahen Infrarotbereich nahezu disjunkt sein, d. h. der Abstand zweier benachbarter mittlerer Energielücken kann ein Vielfaches der FWHM, beispielsweise 5 FHWM betragen.
  • Durch die Anordnung der Quantenpunktschicht auf einem Substrat, wird es möglich ein einfach herzustellendes Messsystem zur Verfügung zu stellen, mittels deren spektrale Sensoren realisiert werden können, die beispielsweise auch auf Verpackungen für Produkte wie beispielsweise verderbliche Lebensmittel integrierbar sind, und welche permanent chemische und physikalische Eigenschaften der Produkte messbar machen. Aufgrund der miniaturisierten Aufbauweise des Messsystems kann die spektrale Messtechnik derart erweitert werden, dass sie eine neue Klasse von Filterspektrometern mit direkt beispielsweise in einem Druck oder Sprühprozess veränderbaren, einstellbaren Parameter (d. h. die Form der Energieverteilung des Emissions- bzw. Absorptionssegments) darstellen. Darüber hinaus können hier beschriebene Messsysteme zur gleichzeitigen Herstellung von Quantenpunktemittenden und -detektoren auch für Lichtschranken oder Distanzsensoren eingesetzt werden.
  • Weitere Ausführungsbeispiele werden anhand der abhängigen Ansprüche erläutert.
  • In einer Ausführungsform des Messsystems ist zwischen dem Emissionssegment und dem Absorptionssegment eine optisch isolierende Schicht vorhanden. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass durch das Emissionssegment emittierte Strahlung nicht direkt in Absorptionssegment emittiert wird, sondern lediglich die durch ein zu vermessendes Objekt reflektierte emittierte Strahlung durch das Absorptionssegment absorbiert wird. Durch die optisch isolierende Schicht kann der Einfluss von Streustrahlung verringert oder ausgeschlossen werden. Die optisch isolierende Schicht kann beispielsweise eine im Bereich der emittierenden Strahlung undurchsichtige Schicht wie beispielsweise eine Metallisierung (beispielsweise aus Ag) oder ein undurchsichtiger Kunststoff wie beispielsweise ein Fotolack oder eine Matrix mit eingebettenen Graphitpartikeln sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Messsystems sind das Emissionssegment und das Absorptionssegment voneinander räumlich getrennt. Hierunter kann verstanden werden, dass die Quantenpunktschicht lediglich lokal ein Emissionssegment und ein von diesem Emissionssegment beabstandetes Absorptionselement umfasst. Zwischen diesen beiden Segmenten besteht ein Abstand der derart gewählt wird, dass der direkte Einfall von emittierter Strahlung von dem Emissionssegment in das Absorptionssegment hinein deutlich verringert wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Quantenpunktschicht eine Matrix aus organischem oder anorganischem leitendem oder halbleitendem Material, in welches die Quantenpunkte eingebettet sind. Als mögliche Matrixmaterialien können beispielsweise verschiedene Thiophene, BCP, TPD, CBP, PVK, aber auch Composite mit leitfähigen Partikeln und Fasern wie zum Beispiel TiO2, ZTO, ZnS, ZnO, ITO, WO3, MoO3, NiO oder Graphen(oxid) verwendet werden. Bei der Auswahl der Materialien für die Matrix sind beispielsweise Eigenschaften wie eine hohe Ladungsträgermobilität, gute Prozessierbarkeit, sowie chemische, thermische und elektrische Stabilität wichtig. Die physikalischen Eigenschaften des Matrixmaterials sollten an die verwendeten Quantenpunkte angepasst sein. Die Lage der Energieniveaus des Matrixmaterials sollten niedrige Schwellen zur direkten Ladungsträgerinjektion bieten und das Material sollte im Bereich der mittleren Energielücke bzw. der Energieverteilung des jeweiligen Segments transparent sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Messsystem mindestens eine Ladungstransportschicht. Als Ladungstransportschicht kann beispielsweise eine Elektronentransportschicht (Electron Transport Layer; ETL) oder eine Lochtransportschicht (Hole Transport Layer; HTL) sein. Hierbei ist in einer Variante vorgesehen, die Quantenpunktschicht zwischen zwei Ladungstransportschichten, beispielsweise eine Elektronentransportschicht und eine Lochtransportschicht, zu platzieren. Dabei grenzt die Quantenpunktschicht direkt an die jeweilige Ladungstransportschicht. In einer weiteren Variante kann die Quantenpunktschicht in die Ladungstransportschicht integriert sein, wobei dass das Matrixmaterial der Quantenpunktschicht die Funktion der Elektronentransport bzw. Lochtransportschicht übernimmt. Das Material der Matrix wird dementsprechend ausgewählt, um die Funktionalität der LadungstransportschichtWird beispielsweise CdSe als Material für die Quantenpunkte verwendet, kann beispielsweise ZnO als Material für die Matrix der Quantenpunktschicht gleichzeitig als Elektronentransportschicht dienen.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Messsystem eine Lochinjektionsschicht (Hole Injection Layer; HIL) und/oder eine Lochblockschicht (Hole Blocking Layer; HBL) umfasst. Beispiele einer derartigen Schicht sind beispielsweise eine HIL aus GO oder PEDOT:PSS oder eine HBL aus AlQ3.
  • In den hier angesprochenen Varianten des Messsystems können verschiedene Schichten zum Einsatz kommen. In einer Variante wird hierbei ein Sandwichaufbau bevorzugt, bei welchem die einzelnen Schichten nacheinander mittels aus dem Stand der Technik bekannter Verfahren aufgetragen werden. Hier können beispielsweise Ätz-, Sputter- oder Dampfprozesse bzw. Aufschleudern, Aufdampfen, gestempelte, gedruckte oder gesprayte Schichten zum Einsatz kommen. Die Anzahl und die Funktionalität der verwendeten Schichten hängt von dem bevorzugten Einsatzgebiet des Messsystems ab. Weiterhin ist es möglich die Schichten auf einem größeren Substrat aufzutragen und das Substrat nachträglich zu einzelnen Messsystemen zu vereinzeln. In einigen Ausführungsformen ist das Messsystem kleiner als 1 cm3. Geeignete Schichtmaße sind beispielsweise eine Schichtdicke von 1 nm bis 1200 nm, vorzugsweise weniger als 1000 nm..
  • In einer weiteren Ausführungsform des Messsystems ist vorgesehen, dass eine Kathode und eine Anode vorhanden sind. Mittels der Kathode und der Anode ist es möglich, Steuerspannungen an das Emissionssegment bzw. Absorptionssegment anzulegen, so dass das jeweilige Segment zum Emittieren von Strahlung bzw. zum Detektieren von emittierter Strahlung verwendet werden kann. Dabei ist es in einer Variante vorgesehen, dass die Kathode bzw. die Anode derart strukturiert ist, dass das Emissionssegment und das Absorptionssegment getrennt voneinander elektrisch ansprechbar sind. Wird dem jeweiligen Segment ein eigenes Kathoden-Anodenpaar zugewiesen, können die Steuerspannungen zum Emittieren bzw. Detektieren von Strahlung besonders effizient eingestellt werden. Im Falle nicht strukturierter Anoden bzw. Kathoden kann beispielsweise eine elektronische Schaltung vorhanden sein, welche nach einem zeitlichen Muster die Steuerspannung vorändert und so mit einer Anoden-Kathoden-Konfiguration eine Emission und eine anschließende Detektion ermöglicht.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Messsystems ist in der Quantenpunktschicht ein weiteres Emissionssegment mit einer mittleren dritten Energielücke vorhanden, wobei die mittlere dritte Energielücke ist als die mittlere zweite Energielücke des Absorptionssegments. Dabei kann in einer Variante die mittlere dritte Energielücke derart gewählt werden, dass diese von der mittleren ersten Energielücke verschieden ist.
  • Insbesondere bei der Verwendung eines weiteren Emissionssegments, dessen mittlere Energielücke sich von der mittleren Energielücke des Emissionssegments unterscheidet, kann das zu untersuchende Objekt beispielsweise in verschiedenen Bereichen des optischen Spektrums untersucht werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Quantenpunktschicht ein weiteres Absorptionssegment mit einer mittleren vierten Energielücke umfasst, und die vierte mittlere Energielücke kleiner als oder gleich der mittleren zweiten Energielücke ist. Durch die Verwendung verschiedener Absorptionssegmente mit unterschiedlichen mittleren Energiegrößen, kann die Messgenauigkeit und Empfindlichkeit des Messsystems besser justiert werden. So kann beispielsweise ein Absorptionssegment mit einer spezifischen spektralen Empfindlichkeit zu Intensitätsbestimmung des Emissionssegments verwendet werden und ein weiteres Absorptionssegment zur Ermittlung der Zentralwellenlänge der Sendeelemente herangezogen werden. Dabei können beispielsweise die Größenverteilungen der Quantenpunkte unterschiedlich gewählt werden, um so die Breite der Energieverteilung und die Energielücke entsprechend einzustellen.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Messsystem ein Substrat und/oder eine Anode und/oder eine Kathode, welche im Bereich der emittierten Strahlung optisch transparent ist. Auf diese Weise kann beispielsweise die Richtung, in welcher Strahlung auf das zu vermessende Objekt emittiert wird, genauer eingestellt werden. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass Messsystem mit, beispielsweise auf dem Substrat angeordneten, Lochblenden zu versehen und so eine genauere Projektion der emittierten Strahlung zu ermöglichen.
  • In einigen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass Substrat flexibel oder faltbar auszuwählen. Hier sind verschiedene Ausführungsformen möglich, so dass beispielsweise ein Messsystem mit zwei Absorptionssegmenten und einem Emissionssegment derart verwendet wird, dass das Substrat zwischen einem Emissionssegment und einem Absorptionssegment derart gefaltet wird, dass das gefaltete Absorptionssegment direkt durch das Emissionssegment angestrahlt wird und somit Eigenschaften des Emissionssegments, wie beispielsweise die Intensität oder die Zentralwellenlänge ermittelt werden können und das zweite Absorptionssegment derart konfiguriert ist, dass dieses nur durch einen Körper/Objekt reflektierte, emittierte Strahlung des Emissionssegments empfängt. Aus einer Kombination der durch die beiden Absorptionssegmente empfangenen Strahlung können zahlreiche Eigenschaften des zu vermessenden Objekts ermittelt werden.
  • Weitere Details und Ausführungsformen finden sich in den nachfolgend beschriebenen Figuren. Hierbei sei erwähnt, dass Merkmale welche im Rahmen einer Figur beschrieben werden nicht nur in Kombination mit den weiteren Merkmalen der Figur, sondern auch in Kombination mit Merkmalen anderer Figuren oder für sich selbst genommen, beansprucht werden können.
  • Es zeigen:
  • 1a bis 1c eine Ausführungsform eines ersten Messsystems und dessen Eigenschaften;
  • 2a bis 2c Ausführungsform eines weiteren Ausführungsbeispiels und dessen Eigenschaften;
  • 3a bis 3d weitere Ausführungsbeispiele eines Messsystems;
  • 4a und 4b Messsystem mit einem Absorptions- und zahlreichen Emissionssegmenten;
  • 5a und 5b Messsystem mit einem Emissionssegment und einer Vielzahl von Absorptionssegmenten;
  • 6a bis 6c Ausführungsbeispiel eines faltbaren Messsystems.
  • Anhand der 1 werden ein erstes Ausführungsbeispiel eines Messsystems und dessen Eigenschaften dargestellt.
  • Die 1a zeigt ein Messsystem, welches in einer Sandwich-Bauweise aufgebaut ist. Das Messsystem 1 umfasst ein Substrat 10, welches optisch transparent ist. Das Substrat kann beispielsweise aus PMMA, Glas oder einem optisch transparenten Halbleiter hergestellt sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Substrat 10 starr und besitzt eine Grundfläche von 25 mm × 25 mm bei einer Höhe von weniger 1 mm, vorzugsweise weniger als 100 μm. Auf dem Substrat 10 ist eine Lochinjektionsschicht 12 aufgebracht, welche aus PEDOT:PSS aufgebaut ist. Auf der Lochinjektionsschicht 12 ist eine Lochtransportschicht 14 angeordnet. Oberhalb der Lochtransportschicht 14 befindet sich die Quantenpunktschicht 16, welche anhand der 1b noch näher erläutert werden wird. Oberhalb der Quantenpunktschicht 16 befindet sich die Lochblockschicht 18, auf welcher sich wiederum eine Elektronentransportschicht 20 befindet. Auf dem Substrat befinden sich zudem Anoden 22, an welche eine Steuerspannung angelegt werden kann. Die dazu korrespondierende Kathode 26 ist auf der Elektronentransportschicht aufgebracht. Die Anode bzw. Kathode können dabei als Metallisierungen auf dem Substrat bzw. auf einer der vorgenannten Schicht angeordnet werden. Es ist ersichtlich, dass das Messsystem in Sandwichbauweise Schicht um Schicht aufgebaut wird. Die einzelnen Verfahren zum Auftragen der Schichten werden in Abhängigkeit von den gewählten Materialien ausgewählt.
  • In der 1b ist ein Schnitt durch die Quantenpunktschicht 16 dargestellt. Die Quantenpunktschicht 16 umfasst ein Emissionssegment 30 und ein Absorptionssegment 32. Das Emissionssegment 30 umfasst eine erste Vielzahl von Quantenpunkten 34, welche im Mittel oder median kleiner sind als eine zweite Vielzahl von Quantenpunkten 36 des Absorptionssegments 32. Wie anhand der 1b zu erkennen ist, ist das Emissionssegment 30 und das Absorptionssegment 32 jeweils zusammenhängend, die Segmente grenzen jedoch im Wesentlichen aneinander an bzw. eine dazwischenliegende quantenpunktfreie Zone der Quantenpunktschicht weist eine Breite von ca. 5% der Breite des Emissions- oder Absorptionssegments auf: Die jeweiligen Segmente können deutlich voneinander unterschieden werden.
  • Die Quantenpunkte 34 bzw. 36 sind in eine Matrix 38 eingebettet. Im vorliegenden Beispiel sind die Quantenpunkte 34 und 36 aus dem gleichen Material, wie beispielsweise CdS hergestellt. Das heißt, die Quantenpunkte 34 und 36 unterscheiden sich lediglich im Mittel der Größe. Dies wird durch die unterschiedliche Größe der eingezeichneten Quantenpunkte 34 und 36 illustriert. Anhand der 1b ist weiter erkennbar, dass die Anode 22 zur Ansteuerung des Emissionssegments 30 und die Anode 24 zur Ansteuerung des Absorptionssegments 32 herangezogen wird. Weiterhin ist erkennbar, dass die Quantenpunktschicht 16 im Wesentlichen als einheitliche Lage auf dem Substrat angeordnet ist.
  • In dem Graph 50 der 1c ist auf der Abszisse die Energie in qualitativen Einheiten (arbitrary units; a. u.) aufgetragen. Auf der Ordinate befindet sich eine Angabe der Strahlungs- bzw. Absorptionsintensität der Quantenpunktvielzahl. Die Energieverteilung 52 korrespondiert in der Form im Wesentlichen mit der Größenverteilung der Quantenpunkte 36 des Absorptionssegments 32. Aus der Energieverteilung 52 ergibt sich eine mittlere Energielücke 56 des Absorptionssegments 32 welche kleiner ist als die mittlere Energielücke 58 der Energieverteilung 54, welche mit einer Größenverteilung der Quantenpunkte 34 des Emissionssegments 30 korrespondiert. Anhand der Verteilung ist offensichtlich, dass die Breite der Energie- bzw. Größenverteilungen derart gewählt ist, dass die beiden Energieverteilungen einander, wenn überhaupt, nur unwesentlich überschneiden. In anderen Ausführungsbeispielen können jedoch die Breite der Energieverteilungen variiert werden, um so bestimmte Eigenschaften der zu emittierenden Strahlung bzw. der zu absorbierenden Strahlung herauszustellen.
  • Wird nun zwischen der Anode 22 und der Kathode 26 eine entsprechende Steuerspannung angelegt, emittiert das Emissionssegment 30 durch die Anregungen der Quantenpunkte 34 eine Strahlung 60 deren Energieverteilung im Wesentlichen mit der Energieverteilung 54 korrespondiert. Die emittierte Strahlung kann beispielsweise an einem Objekt 70 reflektiert werden und so zurück in das Messsystem gestreut werden. Die rückgestreute Strahlung 80 ist dabei durch das Absorptionssegment 32 absorbierbar, da dessen mittlere Energielücke kleiner ist als die mittlere Energielücke des Emissionssegments. Die reflektierte Strahlung 80 führt zur Erzeugung von Elektronen-Lochpaaren in der Quantenpunktschicht, welche durch Anlegen einer entsprechenden Steuerspannung zwischen der Kathode 26 und der Anode 24 detektiert werden können.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Messsystems ist in den 2a bis 2c gezeigt. Das Messsystem 100 der 2a umfasst ein Substrat 110, welches aus einem nicht-transparenten Kunststoff aufgebaut ist. Auf dem Substrat 110 befinden sich im Wesentlichen in ähnlicher Abfolge wie beim Messsystem 1 eine Lochinjektionsschicht 112, eine Lochtransportschicht 114, eine Quantenpunktschicht 116, eine Lochblockschicht 118, sowie eine Elektronentransportschicht 120. Die Dicke der einzelnen Schichten kann dabei zwischen 1 nm und 1000 nm betragen.
  • Die Quantenpunktschicht 116, welche im Querschnitt in der 2b dargestellt ist, umfasst neben dem Emissionssegment 130 und dem Absorptionssegment 132 eine optisch isolierende Schicht 140. Diese ist im vorliegenden Beispiel durch eine Metallisierung realisiert. Die optisch isolierende Schicht 140 verhindert das Strahlung, welche durch die Quantenpunkte 134 des Emissionssegments 130 emittiert wird, direkt in das Absorptionssegment 132 gestreut werden kann. Hierdurch wird die Wirkungsweise des Messsystems verbessert, da die meiste Strahlung, welche durch das Absorptionssegment 132 detektierbar ist, von einem Körper reflektiert wurde, welcher mit der emittierten Strahlung beaufschlagt wurde.
  • Neben der optisch isolierenden Schicht 140 umfasst das Messsystem 100 weiterhin eine Kathode 126, welche segmentiert ist. Die Kathodensegmente 142 bzw. 144 sind dabei elektrisch voneinander getrennt ausgebildet. Weiterhin ist ein Kathodenmaterial gewählt, welches im Bereich der emittierten bzw. zu absorbierenden Strahlung optisch transparent ist. Als Beispiel für ein derartiges Material sei beispielsweise ITO erwähnt.
  • Ist neben der Kathode auch die Anode segmentiert, kann auf besonders geeignete Weise die Steuerspannung im Emissionssegment unabhängig von der Steuerspannung des Absorptionssegments variiert werden. Insbesondere können die Steuerspannung des Emissionssegments und des Absorptionssegments zeitgleich, jedoch unabhängig voneinander geändert werden.
  • In der 2c ist ein Graph 250 dargestellt, welcher auf der Abzisse die Energie in a. u. und auf der Ordinate die Intensität der emittierten bzw. absorbierten Strahlung dargestellt. Die Energieverteilung 152 entspricht im Wesentlichen einer Größenverteilung der Quantenpunkte 136 des Absorptionssegments 132. Die Größenverteilung der Quantenpunkte 136 resultiert im Ausführungsbeispiel der 2 in einer breiteren Gaußverteilung gegenüber dem Ausführungsbeispiel der 1. Die mittlere Energielücke des Absorptionssegments 156 ist dabei am Maximum der Verteilung angeordnet. Die Energieverteilung 154 entspricht im Wesentlichen der Größenverteilung der Quantenpunkte 134 des Emissionssegments 130 und weist ein Intensitätsmaximum im Bereich der mittleren Energielücke 158 auf. Obgleich die beiden Energieverteilungen 152 bzw. 154 sich überschneiden, können die mittleren Energielücken des jeweiligen Segments klar voneinander getrennt werden. Insbesondere ist klar erkennbar und messbar, dass die Energielücke des Absorptionssegments kleiner ist als die Energielücke 158 des Emissionssegments.
  • An dieser Stelle sei erwähnt, dass das Emissionssegment und das Absorptionssegment nicht identische Energieverteilungen aufweisen müssen. So kann beispielsweise das Absorptionssegment derart gewählt werden, dass die Energieverteilung 152 zustande kommt, wohingegen das Emissionssegment 130 derart konfiguriert wird, dass eine Energieverteilung 54, wie in der 1c dargestellt wird, resultiert. Anhand der Breite der Energieverteilung können unterschiedliche Eigenschaften analysiert werden. So bewirkt beispielsweise eine breitere Energieverteilung im Absorptionssegment eine verbesserte Detektion der emittierten Strahlung über einen breiteren Frequenzbereich.
  • Anhand der 3a bis 3d sollen weitere Ausführungsformen von Messsystemen erläutert werden. In der 3a ist ein Messsystem 200 dargestellt, welches vom Schichtaufbau her im Wesentlichen den Messsystemen 1 und 100 entspricht. Das Messsystem 200 unterscheidet sich jedoch darin, dass das Substrat 210 transparent und die direkt auf dem Substrat angeordnete Anode 222 segmentiert ist, so dass ein Anodensegment 246 und ein Anodensegment 248 vorhanden sind, welche beide elektrisch voneinander isoliert sind. Auf der Anode befinden sich eine Lochinjektionsschicht 212, eine Lochtransportschicht 214, eine Quantenpunktschicht 216, eine Lochblockschicht 218, sowie eine Elektronentransportschicht 220. Zwischen den Schichten verläuft von oben bis unten den Stapel durchquerend eine optisch isolierende Schicht 240 durch alle Schichten. Dabei ist die optisch isolierende Schicht 240 beispielsweise ein intransparenter Kunststoff. Obgleich die optisch isolierende Schicht das Emissionssegment bzw. das Absorptionssegment wie ein Rahmen umgibt, ist in einigen Ausführungsbeispielen vorgesehen, dass die optisch isolierende Schicht lediglich das Segment 140' oder 240' umfasst.
  • Auf der Elektronentransportschicht ist eine segmentierte Kathode 226 mit Kathodensegmenten 242 und 244 angeordnet. Es ist erkennbar, dass die quer durch den Stapel verlaufenden optisch isolierenden Schichten vermeiden, dass durch das Emissionssegment 230 emittierte Strahlung 260 innerhalb der Sandwichstruktur auf das Absorptionssegment 232 reflektiert werden kann. Hierdurch wird vermieden, dass Strahlungsreflexionen an den einzelnen Schichten zu einer Verfälschung des Messergebnisses führen. Im vorliegenden Beispiel ist nicht nur das Substrat 210 und die Anode 222 optisch transparent, sondern auch die Kathode 226. Auf diese Weise kann Strahlung sowohl nach oben als auch nach unten emittiert werden.
  • In den 3b bis 3d sind weitere Ausführungsformen von Messsystemen dargestellt. Hierbei soll nicht weiter auf optisch isolierende Schichten oder Anoden bzw. Kathodenstrukturen eingegangen werden, und es wird auf die bereits erwähnten Varianten verwiesen.
  • Das Messsystem 300 der 3b zeigt ein Substrat 310 mit einer darauf angeordneten Lochinjektionsschicht 312, einer Lochtransportschicht 314, sowie einer Quantenpunktschicht 316 auf welcher eine Elektronentransportschicht 320 angeordnet ist. Eine Lochblockschicht ist nicht vorgesehen bzw. die Aufgabe einer Lochblockschicht wird durch das Matrixmaterial der Quantenpunktschicht erfüllt.
  • Das Messsystem 400 der 3c zeigt ein Substrat 410 mit einer Lochinjektionsschicht 412 und einer darauf angeordneten Quantenpunktschicht 416, wobei das Matrixmaterial der Quantenpunktschicht zugleich die Funktion einer Lochtransportschicht übernimmt. Auf der Lochtransportschicht bzw. Quantenpunktschicht ist eine Elektronentransportschicht 420 angeordnet.
  • Das Messsystem umfasst analog ein Substrat 510, eine Lochinjektionsschicht 512 eine Lochtransportschicht 514, sowie eine Quantenpunktschicht 516, welche ein Matrixmaterial umfasst welches auch als Elektronentransportschicht dient.
  • Obgleich in den bislang aufgeführten Ausführungsbeispielen das Material der Quantenpunkte im Absorptions- und im Emissionssegment das gleiche Material war und die mittlere Energielücke des jeweiligen Segments über die unterschiedlichen Größenverteilungen der Quantenpunkte des Absorptions- bzw. Emissionssegments definiert wurde, kann in weiteren Ausführungsbeispielen vorgesehen sein, die Energielücke nicht über die Größenverteilung des Materials, sondern über die Eigenschaften des Materials selbst einzustellen. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Quantenpunkte des Emissionssegments aus einem ersten Material wie, beispielsweise CdSe, und die Quantenpunkte des Absorptionssegments aus einem zweiten Material, beispielsweise PbS, bestehen. Dabei sind die Größen der Quantenpunkte des Emissions- bzw. Absorptionssegments im Wesentlichen gleich verteilt. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der Materialien werden jedoch unterschiedliche Energieverteilungen, wie beispielsweise in den Graphen 50 bzw. 150 dargestellt, definiert, so dass auch mit einem derartigen System ein Messsystem aufgebaut werden kann.
  • Die hier vorgeschlagenen Varianten des Messsystems können durch einfache Herstellungsverfahren hergestellt werden. So können beispielsweise sämtliche Schichten aufgeschleudert, aufgedampft, gestempelt oder gedruckt bzw. gesprüht werden. Dadurch dass die jeweiligen Schichten beispielsweise aus einem einheitlichen Material bestehen und die nächste Schicht auf die weitere Schicht aufgebracht wird, und lediglich, beispielsweise die Größenverteilung bzw. das Material des Emissions- bzw. Absorptionsspektrum geändert werden müssen, kann das Messsystem auf besonders einfache Art und Weise schnell und kostengünstig hergestellt werden.
  • Anhand der 4 bis 6 sollen weitere Ausführungsformen von Messsystemen erläutert werden. Hierbei wird nicht länger der Aufbau der einzelnen Stapel besprochen, sondern es kann ein Stapelaufbau, wie beispielsweise in einem der Ausführungsbeispiele der 1 bis 3 erläutert, verwendet werden.
  • Das Messsystem 600 umfasst ein Substrat und auf dem Substrat angeordnete Emissionssegmente 630 bzw. 631, sowie ein im Zentrum der Emissionssegmente 630 angeordnetes Absorptionssegment 632. Dabei können die Zwischenräume zwischen den einzelnen Absorptions- bzw. Emissionssegmenten beispielsweise mit einem optisch intransparenten Material verfüllt sein, oder die Absorptions- bzw. Emissionssegmente sind derart räumlich voneinander getrennt, dass eine Streuwirkung nur gering ist. Die Emissionssegmente 630 unterscheiden sich nicht voneinander. Die Emissionssegmente 631 weisen gegenüber den Emissionssegmenten 630 entweder ein anderes Quantenpunktmaterial oder ein von der Größenverteilung der Quantenpunkte des gleichen Materials des Emissionssegments 630 verschiedene Größenverteilung auf. Dies ist beispielsweise im Graph 650 der 4b illustriert. Die Energieverteilung 652 korrespondiert mit der Größenverteilung der Quantenpunkte im Absorptionssegment 632. Hieraus ergibt sich eine mittlere Energielücke 656. Die Emissionssegmente 630 besitzen eine Energieverteilung 654 mit einer Energielücke 658. Die Emissionssegmente 631 besitzen eine Energieverteilung 655 mit einer Energielücke 659. So kann beispielsweise das Emissionssegment 631 derart konfiguriert sein, dass es im grünen sichtbaren Licht strahlt, und das Emissionssegment 630 derart konfiguriert sein, dass es im roten sichtbaren Licht strahlt und das Absorptionssegment 632 kann derart eingestellt sein, dass dessen mittlere Energielücke im nahen Infrarotbereich liegt.
  • Im Messsystem 600 können auch andere Anordnungen von Emissionssegmenten gewählt werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Emissionssegmente im Wesentlichen rotationssymmetrisch um das Absorptionssegment angeordnet. Es können jedoch auch mehr als sechs bzw. weniger als sechs Emissionssegmente verwendet werden (wie beispielsweise drei Emissionssegmente). Weiterhin können auch im Zentrum der rotationssymmetrisch angeordneten Emissionssegmente mehr als ein Absorptionssegment angeordnet sein.
  • Das in den 5 illustrierte Messsystem 700 umfasst ein Substrat 710 und ein darauf angeordnetes Emissionssegment 730, sowie ein Absorptionssegment 732, welches zur Messung von von einem Körper reflektierter emittierter Strahlung des Emissionssegments 730 verwendet werden soll, sowie Referenzsegmente 733 bzw. 733', wobei das Absorptionssegment 733 die spektrale Lichtleistung des Emissionssegments 730 misst und das Absorptionssegment 733' die Ermittlung der Zentralwellenlänge des Emissionssegments 730 zur Aufgabe hat. Dies wird durch die unterschiedlichen Energieverteilungen 752 und 753 illustriert. Es ist erkennbar, dass sich die Energieverteilungen 752 und 753 sowohl in der mittleren Energielücke 756 und 757, als auch in der FWHM unterscheiden. Während die Energieverteilungen 752, 753' und 754 im Wesentlichen jeweils disjunkt voneinander sind, d. h. einander nur in Rändern überlappen, überlappt die Energieverteilung 753 die Energieverteilungen 752 und 753'. Die Größe der FWHM der Energieverteilung 753 ist mit dem Abstand der mittleren Energielücken 756 und 757 bzw. 757 und 757' vergleichbar, während die Größe der FWHM der Energieverteilung 752 sich um ein Vielfaches vom Abstand der mittleren Energielücken 756 und 757' bzw. 758 unterscheidet. Obgleich in dem Graphen 750 der 5b die Energieverteilungen 752, 753' und 754 gleich gestaltet sind, können diese Energieverteilungen gemäß der jeweiligen Aufgabe des Absorptions- bzw. Emissionssegments angepasst und in ihrer Breite beispielsweise verändert werden. Im Beispiel des Messsystems 700 (oder eines jeden anderen in der Anmeldung beschriebenen Messsystems) können die mittleren Energielücken der Energieverteilungen 752 und 753 beispielsweise im sichtbaren Bereich liegen, wohingegen die mittleren Energieverteilungen der Energieverteilungen 753' und 754 im nahen Infrarot liegen. In anderen Ausführungsbeispielen können auch alle mittleren Energielücken im sichtbaren oder nahen Infrarot liegen. Auch mittlere Energielücken im weichen UV Bereich können zur Anwendung kommen.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Messsystems findet sich in den 6. Das Messsystem 800 umfasst auf einem Substrat 810 angeordnete Emissionssegmente 830, Absorptionssegment 832 und Absorptionssegment 833. Das Substrat mit den darauf angeordneten Schichtstapeln, welche das Emissions- bzw. Absorptionssegment umfassen, ist in der 6b dargestellt. Das Substrat 810 ist flexibel bzw. kann beispielsweise unter Wärmeeinwirkung gebogen werden. Auf diese Weise kann es in die Konfiguration, welche in der 6c dargestellt ist, überführt werden.
  • Ist nun das Emissionssegment 830 derart konfiguriert, dass es sowohl nach oben und unten strahlen kann, empfängt das Absorptionssegment 833 Strahlung direkt vom Emissionssegment 830 ohne das ein wesentlicher Bestandteil von durch einen Körper reflektierte Strahlung hinzukommt. Das Absorptionssegment 832 jedoch, welches beispielsweise durch eine optisch intransparente Schicht von dem Emissionssegment 830 optisch getrennt sein kann, kann lediglich von einem Körper reflektierte Strahlung, welche durch das Emissionssegment 830 emittiert wurde, empfangen. Aus den in den Absorptionssegmenten 832 bzw. 833 bzw. an deren Kathoden-Anoden-Paaren gemessenen Signalen können Eigenschaften des Körpers bestimmt werden.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die hier dargestellten Ausführungsbeispiele lediglich zur Illustration eines erfindungsgemäßen Messsystems dienen und auch weitere Varianten von der Erfindung umfasst sind.

Claims (15)

  1. Messsystem (1), umfassend ein Substrat (10) mit einer auf dem Substrat angeordneten Quantenpunktschicht (16), welche ein Emissionssegment (30) mit einer ersten Vielzahl von Quantenpunkten (34) umfasst und die erste Vielzahl eine mittlere erste Energielücke (58) besitzt, wobei die erste Vielzahl eine zur mittleren ersten Energielücke korrespondierende Strahlung (60) emittieren kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Quantenpunktschicht mindestens ein Absorptionssegment (32) mit einer zweiten Vielzahl von Quantenpunkten (36) umfasst und die zweite Vielzahl eine mittlere zweite Energielücke (56) besitzt, welche kleiner als die mittlere erste Energielücke ist, so dass durch das Emissionssegment emittierte Strahlung durch das Absorptionssegment absorbierbar ist.
  2. Messsystem nach Anspruch 1, wobei zwischen dem Emissionssegment und dem Absorptionssegment eine optisch isolierende Schicht (140; 142) vorhanden ist, so dass durch das Emissionssegment emittierte Strahlung nicht direkt ins Absorptionssegment emittierbar ist.
  3. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Emissionssegment und da Absorptionssegment räumlich voneinander getrennt sind.
  4. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Quantenpunktschicht eine Matrix (38, 138) aus organischem oder anorganischem leitenden oder halbleitenden Material umfasst, in welches die Quantenpunkte eingebettet sind.
  5. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Ladungstransportschicht (14, 20) vorhanden ist und die Quantenpunktschicht in die Ladungstransportschicht integriert ist.
  6. Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Quantenpunktschicht zwischen zwei Ladungstransportschichten (14, 20) angeordnet ist.
  7. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Lochinjektionsschicht (12) und/oder eine Lochblockschicht (18) vorhanden ist.
  8. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Kathode (26) und eine Anode (22) vorhanden ist und vorzugsweise mindestens eine der Kathode und/oder Anode derart strukturiert ist, so dass das Emissionssegment und das Absorptionssegment voneinander getrennt elektrisch ansprechbar sind.
  9. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Quantenpunkte (34, 36) des Emissionssegments und des Absorptionssegments aus einem gleichen Material oder einer gleichen Materialkomposition aufgebaut sind und das Emissionssegment einem vom Absorptionssegment verschiedene Größenverteilung an (52, 54) Quantenpunkten aufweist.
  10. Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Quantenpunkte (34) des Emissionssegments aus einem ersten Material und die Quantenpunkte (36) des Absorptionssegments aus einem zweiten Material aufgebaut sind.
  11. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Quantenpunktschicht mindestens ein weiteres Emissionssegment (630, 631) mit einer mittleren dritten Energielücke (658, 659) umfasst und die mittlere dritte Energielücke größer als die mittlere zweite Energielücke des Absorptionssegments ist, so dass durch das mindestens eine weitere Emissionssegment emittierte Strahlung durch das Absorptionssegment absorbierbar ist.
  12. Messsystem nach Anspruch 11, wobei die mittlere erste Energielücke von der mittleren dritten Energielücke verschieden ist.
  13. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Quantenpunktschicht ein weiteres Absorptionssegment (732, 733, 733') mit einer mittleren vierten Energielücke (756, 757, 757') umfasst, und die mittlere vierte Energielücke kleiner als oder gleich der mittleren zweiten Energielücke ist.
  14. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat und/oder die Anode und/oder die Kathode im Bereich der emittierten Strahlung optisch transparent ist.
  15. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat flexibel und/oder faltbar ist.
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