文章介紹產(chǎn)品：光致發(fā)光測試系統(tǒng)

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一、什么是光致發(fā)光 (Photoluminescence，簡稱PL)

光致發(fā)光 (Photoluminescence，簡稱PL) 是冷發(fā)光的一種，指物質(zhì)吸收光子 (或電磁波) 后重新輻射出光子 (或電磁波) 的過程。從量子力學(xué)理論上，這一過程可以描述為物質(zhì)吸收光子躍遷到較高能級的激發(fā)態(tài)后返回低能態(tài)，同時放出光子的過程。

圖1：光致發(fā)光 (Photoluminescence, PL) 過程的能量圖

（如圖1）越靠上方能階越高，也就是能量越大，基態(tài) (ground state) 指的是所有電子在低能階的狀態(tài)，其他有額外能量的狀態(tài)則泛稱 “電子的激發(fā)態(tài) (singlet state / excited state)"。當(dāng)熒光物質(zhì)受到激發(fā)光的照射，原本位于基態(tài)的電子因為吸收了光的能量，因而被激發(fā)到激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的電子可經(jīng)多種途徑回到基態(tài)。圖中若電子以放光的方式釋放能量回到基態(tài)，由此方式所放出的光，可廣義稱為 “熒光"。而此過程便稱為光致發(fā)光 (Photoluminescence, PL)。

光致發(fā)光 (Photoluminescence, PL) 的過程，可分為三個階段：首先，當(dāng)光照射在物質(zhì)材料上時會被吸收，被稱為光激發(fā)；其次，多余的能量會被材料傳遞出去；最后，這多余的能量，再以發(fā)光的方式被釋放掉。因此，光致發(fā)光 (Photoluminescence, PL) 是一種探測材料電子結(jié)構(gòu)的方法，與材料無接觸且不損壞材料，可以提供有關(guān)材料結(jié)構(gòu)、成分及環(huán)境原子排列的信息。常用于帶隙檢測、雜質(zhì)等級和缺陷檢測、復(fù)合機(jī)制以及材料質(zhì)量鑒定。

而熒光是光致發(fā)光現(xiàn)象中最常見的一種，指物質(zhì)吸收特定波長的光子能量被激發(fā)后，快速躍遷回基態(tài)并釋放出更長波長光子的發(fā)光過程。

二、熒光的核心特征

1、瞬時性：這是熒光與磷光（夜光）最根本的區(qū)別。熒光在激發(fā)光照射時持續(xù)發(fā)光，一旦關(guān)閉激發(fā)光源，發(fā)光瞬間停止（納秒級）。而磷光會有“余暉”。

2、顏色變化（斯托克斯位移）：發(fā)射出的光波長總是比吸收的光波長要長，也就是顏色更偏紅。

例如：

吸收看不見的紫外線 → 發(fā)出藍(lán)色或綠色的可見光（驗鈔機(jī)、熒光增白劑）。

吸收高能量的藍(lán)光 → 發(fā)出綠色、黃色或紅色的光（熒光筆、某些礦物）。

PL熒光產(chǎn)生示意圖

三、什么是PLQY？

在測光致發(fā)光 (Photoluminescence，簡稱PL)大家最在意的是PLQY，那什么是PLQY呢？

a：PLQY是Photoluminescence Quantum Yield的縮寫，中文譯為“光致發(fā)光量子產(chǎn)率”或“熒光量子產(chǎn)率”。

b：一句話定義：PLQY 衡量的是發(fā)光材料將吸收的光子轉(zhuǎn)化為發(fā)射的光子的效率。 它是一個無量綱的比值，通常用百分比（%）或小數(shù)（0到1之間）表示。

公式：PLQY (%) = 發(fā)射的光子數(shù) / 吸收的光子數(shù)

適用于樣品對激發(fā)光的反射 / 散射較弱，或積分球內(nèi)壁反射率極高的場景：

其中：

圖2：PLQY的量測與計算

在進(jìn)行光致發(fā)光量子產(chǎn)率 (Photoluminescence Quantum Yield, PLQY) 的量測時，會先量測一個空白對照組，量測出來的光譜 (黑色光譜曲線) 只有一個激發(fā)光的峰。之后再放入要測試光致發(fā)光量子產(chǎn)率 (Photoluminescence Quantum Yield, PLQY) 的樣品，在相同的光強(qiáng)下讓激發(fā)光打在樣品上，量測出來的光譜 (紅色光譜曲線) 除了有原來的激發(fā)光的峰之外，同時也會有一個熒光峰出現(xiàn)。比較兩條光譜曲線，可以發(fā)現(xiàn)樣品激發(fā)光的峰值強(qiáng)度會低于空白對照組的峰值強(qiáng)度，表示樣品吸收了部分的激發(fā)光。而在樣品的光譜曲線多出來的熒光峰，就是光致發(fā)光 (Photoluminescence, PL) 所產(chǎn)生熒光。

四、為什么要測PLQY？

1、直接反映材料的發(fā)光效率

PLQY 定義為 “材料發(fā)射的熒光光子數(shù)與吸收的激發(fā)光子數(shù)的比值”，是衡量材料將吸收的光能轉(zhuǎn)化為熒光的能力的定量標(biāo)準(zhǔn)——PLQY 越高，說明材料發(fā)光效率越強(qiáng)（例如高性能有機(jī)發(fā)光材料的 PLQY 可接近 100%）。

2、 關(guān)聯(lián)材料的應(yīng)用價值

a：光電器件領(lǐng)域：OLED、量子點顯示、熒光傳感器等器件的性能（亮度、靈敏度）直接依賴 PLQY，高 PLQY 材料是器件高性能的基礎(chǔ)；

b：生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：熒光探針、細(xì)胞成像試劑的 PLQY 決定了檢測信號的強(qiáng)弱，低 PLQY 會導(dǎo)致信號弱、易被背景干擾。

3、輔助分析材料的缺陷與性能損耗

PLQY 的降低通常對應(yīng)材料存在非輻射復(fù)合過程（如缺陷態(tài)捕獲載流子、分子間聚集淬滅），通過 PLQY 的變化可分析材料的缺陷密度、界面質(zhì)量、穩(wěn)定性等關(guān)鍵特性（例如二維材料轉(zhuǎn)移過程中殘留的聚合物會降低其 PLQY）。

4、是材料性能對比的統(tǒng)一基準(zhǔn)

不同材料的熒光強(qiáng)度受激發(fā)光功率、測試條件影響大，但 PLQY 是歸一化的定量指標(biāo)，可直接用于不同材料、不同批次樣品的發(fā)光性能對比。

五：如何測量 PLQY ?

1、第一種量測光致發(fā)光量子產(chǎn)率 (Photoluminescence Quantum Yield, PLQY) 的方法是采用比較法。比較法是過去較被經(jīng)常使用的一種方法，其使用一些已知光致發(fā)光量子產(chǎn)率 (Photoluminescence Quantum Yield, PLQY) 數(shù)值的參考標(biāo)準(zhǔn)，分別量測參考標(biāo)準(zhǔn)，以及研究材料的對激發(fā)光的吸收率和發(fā)射的熒光光強(qiáng)，然后對照比較得到研究材料的光致發(fā)光量子產(chǎn)率 (Photoluminescence Quantum Yield, PLQY) 數(shù)值。但使用比較法有許多缺點與限制，包含可以用來作為參考標(biāo)準(zhǔn)的物質(zhì)不多，也需要找到與研究材料對激發(fā)與吸收特性接近的參考標(biāo)準(zhǔn)。而且每一次實驗都要做額外的參考標(biāo)準(zhǔn)制備，大大地增加實驗的花費與時間。

2、第二種量測光致發(fā)光量子產(chǎn)率 (Photoluminescence Quantum Yield, PLQY) 的方法是絕對量子產(chǎn)率測量方法，也就是直接使用積分球來量測光致發(fā)光量子產(chǎn)率 (Photoluminescence Quantum Yield, PLQY)。無需標(biāo)準(zhǔn)參比樣品，擺脫匹配限制，直接獲取絕對值結(jié)果，精度更高。適用于所有發(fā)光材料（薄膜、粉末、溶液等）

積分球是一個內(nèi)壁涂有高反射率漫反射材料（如聚四氟乙烯、硫酸鋇）的空心球體，能將入射光和樣品發(fā)射的熒光進(jìn)行多次漫反射，確保收集到100% 的光信號，消除光路損耗的影響。

（1）、PLQY積分球測量系統(tǒng)的主要組成部分（穩(wěn)態(tài) PL 系統(tǒng)）

a：積分球：內(nèi)壁（如涂覆Spectralon?或硫酸鋇）需在寬波長范圍（如250-2500 nm）內(nèi)具有高反射率，以均勻散射光。

b：激發(fā)光源：連續(xù)或脈沖光源，提供特定波長激發(fā)光。常用激光、LED。

c：探測系統(tǒng)：光譜儀，必須進(jìn)行光譜響應(yīng)校準(zhǔn)。

d：樣品架：固體/液體樣品倉，用于放置待測樣品，設(shè)計需考慮防污染（如底部裝樣）和幾何定位。

e：控制與計算：軟件系統(tǒng)，控制測量流程，自動采集空白和樣品的光譜，并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)公式計算PLQY。

（2）、適用樣品類型

a：固體粉末：熒光粉、量子點粉末、鈣鈦礦粉末。

b：薄膜/涂層：鈣鈦礦薄膜、OLED薄膜、旋涂/蒸鍍功能層。

c：液體/溶液：量子點溶液、有機(jī)染料溶液、熒光分子溶液。

d：塊體/單晶：鈣鈦礦單晶、有機(jī)單晶。

不同樣品發(fā)光示意圖

六、應(yīng)用領(lǐng)域

1、顯示與照明：評估和優(yōu)化發(fā)光材料的效率，是實現(xiàn)高亮度、低能耗器件的關(guān)鍵。

2、新能源技術(shù)：評估鈣鈦礦等薄膜的發(fā)光效率，間接反映其作為太陽能電池時的缺陷與非輻射復(fù)合損耗，指導(dǎo)工藝優(yōu)化。

3、生物醫(yī)學(xué)與成像：量化熒光探針的發(fā)光效率，直接決定成像的靈敏度和信噪比，是開發(fā)新型診斷工具的基礎(chǔ)。

4、先進(jìn)材料研究：作為基礎(chǔ)性能指標(biāo)，用于篩選、評估和開發(fā)各類新型發(fā)光材料與結(jié)構(gòu)。

5、光化學(xué)與傳感：評估光敏劑產(chǎn)生單線態(tài)氧等活性物質(zhì)的效率（光動力治療），或監(jiān)測因分析物結(jié)合導(dǎo)致的發(fā)光猝滅（傳感器開發(fā)）。

PLQY積分球測量系統(tǒng)產(chǎn)品示意圖

以下數(shù)據(jù)測試條件：

1、光纖耦合LED光源：工作波長：375nm，型號：FLS375-10

2、制冷型光纖光譜儀：波長范圍：200-1100nm，型號：Ficr

3、譜量光電 光致發(fā)光測試積分球

薄膜樣品，PL測試數(shù)據(jù)示意圖（375nm為激發(fā)光波段，532nm為熒光波段）

薄膜樣品，PL測試數(shù)據(jù)示意圖（375nm為激發(fā)光波段，532nm為熒光波段）

無樣品時，激發(fā)光波段的探測器信號（375nm波長）

PL熒光產(chǎn)生示意圖