电致发光器件评价之滨松解决方案

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# 应用背景——上转换材料与关键参数上转换发光是指材料分子吸收两个或两个以上低能光子而辐射一个高能光子的发光现象。目前研究的重点是能够将近红外光（波长较长，低能）转换成可见光（波长较短，高能）的上转换材料——例如稀土上转换材料。事实上，稀土离子的上转换发光几乎覆盖了可见光的各个波段，其在近红外量子计数器、激光器、三维立体显示、荧光粉、医学成像及生物传感器等方面己经获得了广泛的应用。图1. 上转换发光原理示意以生物医学成像应用为例，传统的荧光探针需要较短波长的激发光——由于波长越短，光在组织中的穿透能力越低——从而限制了成像的深度。而稀土上转换发光纳米材料（upconversion nanoparticles，UCNPs）作为荧光探针，通常可以采用近红外连续激光器（典型的是980 nm，808nm）作为激发光源，其特点如下：（1）获得较深的成像深度，（2）波长较长的近红外光对生物组织的损伤较小，（3）能够完全避免荧光成像中常见的生物组织背景荧光，从而获得更高的图像质量。在上转换材料的研究中，量子产率、吸收光谱、发射光谱、寿命等都是经常需要测量的参数。滨松针对上转换材料研究中的具体需求（详细见下）设计开发了绝对量子产率测试系统、可见近红外荧光寿命测试系统和对应的配件。# 量子产率材料发出光子的数目与所吸收光子数目的比值称为量子产率。由于量子产率很大程度上反应了材料对激发光的利用效率，所以为了获得更广阔的应用前景，量子产率的提升是上转换发光材料研究中一个绕不过去的话题。# 发射光谱除了量子产率，上转换材料的发射光谱也非常关键。大多数“上转换材料”不仅会发出基于上转换原理、波长较短的光谱，还会同时发出基于下转换原理波长更长的光谱；两者很有可能一个在可见光波段，一个在近红外波段。在不同的应用中，对两者的关注有可能各有侧重；但同时得到两者的数据在材料研究中非常重要。# 宽广而精准的光谱测量由于常见的上转换材料都是将近红外光转换成可见光，所以横跨可见光到近红外波段的吸收光谱/发射光谱也是上转换材料的研究和研发中所关注的重要参数。而且对光谱的准确测量也是绝对量子产率测量的基础。为了契合这样的需要，滨松Quantaurus-QY plus中不仅配备了高灵敏度高信噪比背照式CCD探测器（探测范围从紫外至约1100nm的近红外，如图2上左），而且配备了专门用于近红外波段的InGaAs探测器（从850nm至1650nm，如图2上右）。作为在光电行业深耕细作几十年，光探测器产品线非常宽广的技术型公司，滨松在Quantaurus系列产品中均选用了自产的探测器。并基于对探测器的深刻理解与定制，开发出了特有的“光谱无缝缝合”技术，使得通过可见光探测器和近红外探测器所得到的光谱能够完美地衔接在一起（如图2），从而使用户可以在300-1650nm的范围内，横跨可见及近红外区域得到完整且精准的光谱和真实的量子产率数值（例如图3）。图2. 从可见到近红外连续光谱测量的双探测器方案图3. 光谱测量实例。左图为文献中用滨松Quantaurus-QY plus的测量结果(C. Cao, et al. ACS Appl. Mater. Interfaces  9  (2017), 18540) ；右图为客户样品的测量结果。# 低至万分之一的量子产率检测上转换发光所吸收的光子能量低于所发射的光子能量（称为反Stokes发光）；其发光机理是基于双光子或多光子过程——这要求材料分子需要在很短的时间内吸收到2个或者更多光子，否则被一个低能光子激发的材料分子，是无法辐射出一个高能光子的。上转换发光的这个要求其实并不容易达到，至少大大难于只需要材料分子吸收一个光子的普通荧光（或者下转换发光）。这导致目前常见的上转换量子产率多为0.01%~5%，比常见的荧光（或下转换发光）材料的绝对量子产率要低了一个数量级。针对上转换材料普遍较低的量子产率，滨松在内置光源之外，还提供选配的高功率氙灯光源以及激光器。图4所示的文献中，作者就采用了980nm的近红外激光器作为光源，利用滨松Quantaurus-QY plus测得了低至0.22%的量子产率。图4. 上转换发光材料绝对量子产率测量结果实例(P. Lei, et al, J. Mater. Chem. C, 5(2017), 9659) # 灵活而专业的光源及探测器配置方案无论是宽广光谱的探测，极低量子产率的测量，还是需要采用多种不同波长的激光器作为激发光源，上转换材料的研究给仪器不断提出新的要求，不同研究者对仪器的预期也不尽相同。这使得仪器的配置灵活性和可扩展性变得越来越重要。在探测器方面，滨松可以根据实际需求配置单探测器（350-1100nm），而后可以再升级成双探测器配置（350-1650nm）。而在光源方面，滨松不仅提供内置光源以及选配的高功率氙灯光源和激光器，仪器上的FC和SMA外置接口更是允许用户接入已有激光光源，以节省成本。图5. 光源与探测器的可选配置示意# 相关产品 Quantaurus-QY plus(C13534) 可见近红外绝对量子产率测试仪 C9920-02G/03G 绝对量子产率测试系统 C12132 可见近红外荧光寿命测试仪 Quantaurus-Tau(C11367) 荧光寿命测试仪 # 相关论文文献关键词测量项目所用滨松产品 Cao C. et al. Energy transfer highway in Nd3+-sensitized nanoparticles for efficient near-infrared bioimaging. ACS Appl. Mater. Interfaces 9, 18540-18548 (2017)稀土荧光探针，PLQY量子产率C13534  Ali M. et al. Understanding Enhanced Upconversion Luminescence in Oxyfluoride Glass-Ceramics Based on Local Structure Characterizations and Molecular Dynamics Simulations. J. Phys. Chem. C 121, 15384-15391 (2017)稀土荧光探针，PLQY量子产率C13534  Yang Y. et al. Integrated Strategy for High Luminescence Intensity of 2 Upconversion Nanocrystals. ACS Photonics 4, 1930-1936 (2017)LED荧光粉，PLQY量子产率C13534  Lei P. et al. Benefits of surfactant effects on quantum efficiency enhancement and temperature sensing behavior of NaBiF4 upconversion nanoparticles. J. Mater. Chem. C ,5, 9659-9665 (2017)温度传感器，PLQY量子产率C13534  Wilhelm S. et al. Perspectives for Upconverting Nanoparticles. ACS Nano, 11, 10644–10653(2017)上转换纳米颗粒，PLQY量子产率C9920  Xu C. et al. Structure and optical properties of Er-doped CaO-Al2O3 (Ga2O3) glasses fabricated by aerodynamic levitation. J. Am. Chem. Soc., 100, 2852-2858(2017)掺铒玻璃，PLQY量子产率C13534  Hisamitsu S. et al. Two-dimensional structural ordering in a chromophoric ionic liquid for triplet energy migration-based photon upconversion. Phys. Chem. Chem. Phys., 20, 3233-3240 (2018)TTA，PLQY荧光寿命C11367 C10027 Cascales C. et al. Ultrasmall, water dispersible, TWEEN80 modified Yb:Er:NaGd(WO4)2 nanoparticles with record upconversion ratiometric thermal sensitivity and their internalization by mesenchymal stem cells. Nanotechnology, 28, 18, 185101 (2017)PLQY量子产率C13534 Mohamed A. et al. Understanding Enhanced Upconversion Luminescence in Oxyfluoride Glass-Ceramics Based on Local Structure Characterizations and Molecular Dynamics Simulations. J. Phys. Chem. C, 121, 15384–15391(2017)氟氧化物，PLQY量子产率C13534