光致發(fā)光譜Word版

1、光致發(fā)光光譜技術(shù)的認(rèn)識、應(yīng)用及改進孫奇 20144214004物理學(xué)2015.4.211. 光致發(fā)光光譜技術(shù)的背景介紹在我們周圍，光致發(fā)光是一種很普遍的現(xiàn)象。常用的日光燈就屬于光致發(fā)光的一種，它是利用汞蒸氣放電產(chǎn)生的紫外光激發(fā)涂覆在燈管壁上的發(fā)光物質(zhì)而發(fā)出可見光的。簡單地說，光致發(fā)光（PL）是發(fā)光材料吸收光子（或電磁波）后，重新輻射發(fā)出光（或電磁波）的過程。這種過程與材料的結(jié)構(gòu)、成分及原子排列等密切相關(guān)。· 紫外光、可見光甚至紅外輻射都可以作為激發(fā)光，引起光致發(fā)光。· 所發(fā)出的光，根據(jù)弛豫時間的不同，可分為熒光、磷光和上轉(zhuǎn)換發(fā)光。從分子電子結(jié)構(gòu)上解釋，熒光是電子從單線態(tài)第一

2、激發(fā)態(tài)返回到基態(tài)時釋放的光，具有很短的發(fā)光壽命（約1100 ns），而磷光是電子從三線態(tài)第一激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時釋放的光，具有較長的發(fā)光壽命（約0.11000ms）。當(dāng)系間竄越的速率小于熒光躍遷速率時，激發(fā)態(tài)全部以熒光形式輻射回到基態(tài)，因而只有在低溫條件下，才可以檢測到磷光發(fā)光。本文中如未特別指出，所介紹的光致發(fā)光都屬于熒光發(fā)光。圖1. 光致發(fā)光過程中的光子吸收和能量轉(zhuǎn)移過程。在實驗測試中，熒光發(fā)光光譜包括激發(fā)譜和發(fā)射譜兩種。激發(fā)譜是使用不同波長激發(fā)光測試發(fā)光材料在某一波長處熒光強度的變化情況，即不同波長激發(fā)光的相對效率；發(fā)射譜則是在某一固定波長激發(fā)光作用下的熒光強度在不同波長處的分布情況，即熒光

3、中不同波長的光成分的相對強度。一般情況下，光致發(fā)光光子的能量小于激發(fā)光子的能量（斯托克斯位移），在特定條件下發(fā)射光子的能量也可以超過激發(fā)光子的能量（反斯托克斯位移）。由于光致發(fā)光(熒光或磷光)的特點是寬激發(fā)窄發(fā)射，所以測試時，需要選取一個能反映出所測材料發(fā)光效率的激發(fā)光波長。激發(fā)光波長的選擇一般沒有定論，簡單而常用的方法有兩種：1）激發(fā)譜：將熒光發(fā)光峰波長固定為發(fā)射波長（EM），然后做激發(fā)波長（EM）掃描，激發(fā)波長范圍要小于發(fā)射波長。一般選取激發(fā)譜最高峰位置對應(yīng)的波長作為激發(fā)光波長。2）紫外-可見光吸收測試：一般以最大吸收波長或等吸收點處的波長作為激發(fā)波長。發(fā)光材料的發(fā)射光譜，通常是連續(xù)的寬帶

4、譜，光譜的形狀可以用高斯函數(shù)來表示，即：EV=EV0exp-a-02其中，𝜈是頻率，E𝜈是在頻率𝜈附近的發(fā)光能量密度，E𝜈0是在峰值頻率𝜈0時的相對能量，a是正的常數(shù)。光致發(fā)光光譜技術(shù)是研究固體或液體中電子過程的重要手段。根據(jù)發(fā)光峰的位置。可以研究材料的帶隙、缺陷、以及量子效應(yīng)影響等特征。例如，在當(dāng)前的研究熱點中，量子點發(fā)光技術(shù)是一項具有很重要應(yīng)用價值的課題，利用光致發(fā)光光譜技術(shù)，人們發(fā)現(xiàn)量子點的發(fā)光波長會隨著其尺寸的變化而改變。根據(jù)發(fā)光峰的強度，可以研究材料的熒光量子產(chǎn)率、缺陷數(shù)量等性能。例如，在有機電致發(fā)光器件

5、（OLED）的研究中，人們?yōu)榱双@得高效率OLED，通常需要使用光致發(fā)光光譜技術(shù)表征材料的熒光量子產(chǎn)率。2.光致發(fā)光光譜檢測數(shù)據(jù)實例在實驗中，我們需要測試三種材料的PL光譜，但是在測試之前不知道這三種材料的發(fā)光峰位置，所以不能采用激發(fā)譜的方法來確定激發(fā)光波長。因而，我們首先測試了這三種材料在薄膜狀態(tài)下的紫外-可見光吸收光譜。圖1. M1、M2和M3三種材料的紫外-可見光吸收光譜圖。從紫外-可見光吸收光譜中，可以看出這三種材料在紫外光區(qū)都有兩個吸收峰，分別在280 nm和350 nm附近。圖2. 實驗中所用到的熒光光譜儀。接著，我們使用這兩種波長的激發(fā)光，在FluroMax-4熒光光譜儀上測試了材

6、料M1的PL光譜。圖3. M1材料在280 nm和350 nm激發(fā)光作用下的PL光譜圖。從PL光譜可以看出，使用350 nm的激發(fā)光測試時，能夠獲得強度更高的PL光譜，表明350 nm是更適合的激發(fā)光波長。從歸一化PL光譜中，我們還發(fā)現(xiàn)激發(fā)光波長的不同，并不會對PL光譜的形狀和峰位產(chǎn)生很大影響。圖4. M1、M2和M3材料在350 nm激發(fā)光作用下的PL光譜圖。最后，我們使用350 nm的激發(fā)光測試了上述三種材料的PL光譜。發(fā)現(xiàn)M1和M2的最大發(fā)光峰在470 nm左右，而M3的最大發(fā)光峰在510 nm左右。這個結(jié)果和材料的分子結(jié)構(gòu)相一致。M1和M2具有相似的結(jié)構(gòu)，因它們的發(fā)光峰也相似。M3比M

7、1和M2具有更小的共軛度，能級帶隙更大，因而它的發(fā)光峰位發(fā)生了紅移。3.光致發(fā)光光譜技術(shù)的改進建議在選定激發(fā)光波長(ex)進行發(fā)射譜測試時，發(fā)射光譜的掃描范圍通常設(shè)定在(ex+10)nm (2×ex-10) nm之間，以避免采集到激發(fā)光及其二次衍射峰（即倍頻峰）。但是，有時倍頻峰的位置剛好處在所測的材料的發(fā)光波長范圍內(nèi)，這樣就不能得到完整的發(fā)光光譜數(shù)據(jù)。例如，當(dāng)使用320 nm的激發(fā)光時，發(fā)生光譜的掃描范圍可設(shè)置為330 nm630 nm，如果該材料可以發(fā)深紅光或者雙光子發(fā)光，那么對于630 nm以上這部分想要的結(jié)果，就不能全部得到。對此測試問題，擬用的改進建議是，在發(fā)射光采集過程中

8、，施加一個濾光片，該濾光片具有波長調(diào)節(jié)的濾光功能。由于倍頻峰非常窄，濾光片的使用并不會對該段發(fā)射光譜產(chǎn)生太大影響，因而該建議具有一定的可行性。4.光致發(fā)光光譜技術(shù)的發(fā)展趨勢光致發(fā)光光譜技術(shù)是目前應(yīng)用最普遍的一種測試手段，經(jīng)歷多年的發(fā)展和改進，也成為一種非常穩(wěn)定和成熟的測試方法。但隨著人們科學(xué)研究的不斷深入和研究領(lǐng)域的不斷拓寬，光致發(fā)光光譜技術(shù)會更有應(yīng)用價值，并朝著操作方法更加方便和靈敏度不斷提高的方向發(fā)展。· 就光致發(fā)光測試的設(shè)備而言，激發(fā)光源在其中扮演著重要角色，當(dāng)使用不當(dāng)時，會嚴(yán)重縮短其使用壽命。同時我們也發(fā)現(xiàn)，在有些測試中，只需要簡單的紫外線光源即可對材料進行表征，而并不需要在一臺設(shè)計復(fù)雜、功能強大的熒光光譜儀上完成。因而，未來熒光光譜儀的發(fā)展會趨于“兩極分化”的方向發(fā)展，即功能簡單、價格低廉的小型光譜儀和功能強大、價格昂貴的大型光譜儀。尤其是小型光譜儀的出現(xiàn)，會給研究者們帶來很大的測試便利。· 另一方面，近年超快熒光光譜技術(shù)和同步輻射技術(shù)的出現(xiàn)，讓人們發(fā)現(xiàn)了材料中原本不為人知的更多