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荧光量子产率原理及应用

荧光量子产率原理及应用

本文关键词: 新材料荧光
摘要

基本概念及特征

量子点:

(Quantum dot,QD)又称半导体纳米晶,是导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上受束缚的半导体纳米结构,其三维尺寸通常在2-10nm范围内,呈近似球形,市场上使用的量子点材料多为核壳结构。

 

量子点

量子点材料:

分为元素半导体量子点、化合物半导体量子点、异质结量子点,常见的量子点由IV A、ⅡB-ⅥA、ⅢA-ⅤA或者ⅣA-ⅥA, 族元素组成,如Si,Ge,CdSe,CdTe, CdS, ZnSe,ZnS,InP,InAs,PbS, PbSe 等半导体材料。

 

量子点发光原理

量子点能把电子锁定在非常微小的三维空间内,电子运动受到限制,对其施加一定的电场或光照会发出特定频率的光,发光频率随着颗粒尺寸的改变而变化,通过调节量子点的尺寸可以控制其发光的颜色。

不同尺寸CdSe量子点在光照射下的颜色及吸收和发射光谱

Figure 1不同尺寸CdSe量子点在光照射下的颜色及吸收和发射光谱

 

量子点背光源技术(QD LCD):

是一种光致发光技术,利用量子点的发光特性,通过绿色、红色量子点将蓝色LED光转化为高饱和度的绿光和红光,并同其余未被转换的蓝光混合得到白光等各种颜色,在屏幕上显示宽广色域的颜色。

量子点发光二极管显示技术(QLED)

QLED全称是“Quantum Dot light Emitting Diode”,即量子点发光二极管,又名量子屏显示技术,其原理是是将量子点层臵于电子传输和空穴传输有机材料层之间,外加电场使电子和空穴移动到量子点层中,电子和空穴在这里被捕获到量子点层并且重组,从而发射光子。通过将红色量子点、绿色量子点和蓝光荧光体封装在一个二极管内,实现直接发射出白光。

量子点的光学特性

激发光谱宽:应用单一波长的激发光可激发多种量子点,使量子点达到激发态的光谱范围较宽,传统有机染料荧光分子激光谱较窄,须用合适能量的光来激发。

发射光谱窄:量子点发射光谱范围较窄且对称,不易重叠,可以使用小于其发射波长10nm的任意波长的光进行激发

发射波长可调:

荧光效率高、稳定、寿命长:荧光强度高,稳定性好,抗漂白能力强,可经受反复多次激发而不易发生荧光猝灭。可以对标记的物体进行长时间的观察,可用于研究细胞中生物分子之间长期相互作用。

生物兼容性好:经过各种化学修饰之后可以进行特异性连接,对生物大分子标本的活性无伤害。

 

应用

生物医学:量子点检测试剂通过结合抗原抗体反应的特异性与量子点荧光的敏感性,可以对抗体或抗原进行定性、定位或定量检测,提供改进的体内和体外生物学成像。

荧光标记(荧光探针)

  荧光标记(荧光探针)

活体/细胞成像:追踪药物的疗效,实时监测药物的作用机制,病理组织标本的检测以及疾病的诊断, 多种抗原的同时检测, 简化检测过程,缩短检测时间

活体/细胞成像

新能源:

太阳能电池:量子点作为窄带隙材料,可大幅提高光能利用率,增加太阳能电池的转化效率。

太阳能电池

光催化:

光催化

光电显示:

量子点器件

量子点显示(QD、LCD,QLED)

量子点显示

光谱仪用于量子点发光表征

紫外可见吸收谱

光致发光谱(PL)

光致发光量子产率(QY)

电致发光谱(EL)

辐照度/亮度/色度

电致发光量子效率(EQE)

 

海洋方案

紫外-可见吸收谱

紫外-可见吸收

紫外-可见吸收谱

配置:

光谱仪(FLAME,MAYA,QE 系列等)

氘卤灯光源(DH系列DT-MINI

比色皿支架(CUV-UV,CUV-ALL-UV

光纤(QP400-025-SR

软件(OCEANVIEW

 

光致发光谱(PL谱)

指物质在光的激励下,电子从价带跃迁至导带并在价带留下空穴;电子和空穴在各自的导带和价带中通过弛豫达到各自未被占据的最低激发态(在本征半导体中即导带底和价带顶),成为准平衡态;准平衡态下的电子和空穴再通过复合发光,形成不同波长光的强度或能量分布的光谱图。光致发光过程包括荧光发光和磷光发光。

光致发光谱

 

配置:

光谱仪(FLAME,MAYA,QE, NIRQUEST系列)

单色光源(LED ,Laser, 氙灯+单色仪 )

比色皿支架(CUV-ALL-UV

滤光片(LFV长通/低通滤光片)

光纤(QP400-025-SR

软件(OCEANVIEW)

光致发光谱

 

光致发光量子产率(QY) 

用于表证样品的发光效率,即测量样品有效利用吸收光的效率,数学上表示为发射光子数和吸收光子数的比值。

 

测量样品的量子产率有两种方法:

相对量子产率测量:需要一种已知量子产率的标准品作为参照,通过对标准物和样品进行吸光度和荧光的测量换算得到样品的量子产率。只适用于液体样品。

绝对量子产率测量:不需要 标准样品进行对比,广泛适用于液体、薄膜和粉末样品。在进行测量时需要积分球附件;积分球内表面涂层一般是高反射性材料,比如硫酸钡和聚四氟乙烯。样品表面各个方向的激发光或者是发射光进行积分球均匀化后从出射口出来,并进入到单色器中最后被检测器检测到。

LIGHT

绝对量子产率测量

配置:

光谱仪(FLAME,MAYA,QE, NIRQUEST系列)

单色光源(LED ,Laser, XE+单色仪 )

比色皿支架(CUV-ALL-UV

滤光片(LFV长通/低通滤光片)

光纤(QP400-025-SR

软件(OCEANVIEW

 

电致发光谱(量子点器件EL谱)

电致发光谱(量子点器件EL谱)

配置:

光谱仪(FLAME,MAYA,QE系列)

积分球/CC-3(FOIS-1/大积分球

光纤(QP系列)

标准光源(HL-3P-INT-CAL/大积分球)

源表(Keithley)

 

EL/PL量子点器件辐照度/亮度,色度[2]

EL/PL量子点器件辐照度/亮度,色度

 

检测参数:

色坐标:CIE XYZ,L*a*b*,xyz, uv, u'v’w’

色温CCT&显色指数CRI

光度量(Lum, Lux, Candela)

亮度

光功率

 

配置同EL&PL

EL&PL

 

电致发光量子效率

电致发光量子效率

配置:

QEPRO光谱仪,积分球,

Keithley 源表,

LED光源/HPX2000-HP+MONOSCAN单色仪,

光纤

量子效率专用软件

 

海洋方案优势:

设备操作简单,无需经常校准

微型光谱仪体积小巧,易于搬运

测试系统可以实现原位测试,测试时样品无需取出手套箱

解决方案完善,可提供参考方案:

 

可参考文献:

[1] Dai X, Zhang Z, Jin Y, et al. Solution-processed, high-performance light-emitting diodes based on quantum dots[J]. Nature, 2015, 515(7525):96-99.

[2] Sun, C. , Zhang, Y. , Ruan, C. , Yin, C. , Wang, X. , Wang, Y. and Yu, W. W. (2016), Efficient and Stable White LEDs with Silica‐Coated Inorganic Perovskite Quantum Dots. Adv. Mater., 28: 10088-10094. doi:10.1002/adma.201603081

 

 

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光纤光谱仪