材料電光轉(zhuǎn)換特性的創(chuàng)新性綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計

張小文 陳國華 許積文 袁昌來

摘 要：基于電致發(fā)光設(shè)計了《材料物理性能》實(shí)驗(yàn)中電光轉(zhuǎn)換特性及其評價這一創(chuàng)新性綜合實(shí)驗(yàn)，闡明了材料電學(xué)性能與光學(xué)性能之間的關(guān)聯(lián)性，加深了學(xué)生對材料電學(xué)性能、光學(xué)性能以及電光轉(zhuǎn)換特性知識的系統(tǒng)理解和綜合運(yùn)用，為培養(yǎng)新世紀(jì)光電材料與器件領(lǐng)域中的綜合素質(zhì)人才提供了參考。

關(guān)鍵詞：材料物理性能 電學(xué)性能 光學(xué)性能 電光轉(zhuǎn)換

中圖分類號：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（b）-0083-02

《材料物理性能》在材料科學(xué)與工程專業(yè)中具有傳承基礎(chǔ)、步入專業(yè)的核心價值。在光電子技術(shù)高速發(fā)展和全面普及的今天，材料電學(xué)性能、光學(xué)性能、以及電光轉(zhuǎn)換特性實(shí)驗(yàn)毫無疑問在該課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中占有舉足輕重的地位。據(jù)作者所知，目前出版的有關(guān)書籍中和教研論文方面還很少涉及到電光轉(zhuǎn)換特性方面的實(shí)驗(yàn)，作者在《材料物理性能》課程中作了探索性嘗試。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

有關(guān)材料與器件中的電學(xué)性能、光學(xué)性能、以及二者之間的相互轉(zhuǎn)換特性及其應(yīng)用等方面的理論和工藝，通稱為光電子技術(shù)，材料電學(xué)性能與光學(xué)性能緊密相連、相輔相成。因此，考慮電光轉(zhuǎn)換特性如轉(zhuǎn)換效率，驅(qū)動電壓、驅(qū)動電流、發(fā)光光譜、發(fā)光亮度、發(fā)光色度等需充分考慮材料的綜合性能和器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計?；诖宋覀兲岢鲆远鄬庸δ鼙∧げ牧蠘?gòu)建電致發(fā)光器件來設(shè)計材料的電學(xué)性能、光學(xué)性能、以及二者的轉(zhuǎn)換特性方面的創(chuàng)新性綜合實(shí)驗(yàn)。具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計步驟如下。

（1）電致發(fā)光器件設(shè)計與機(jī)理分析。

電致發(fā)光是利用材料的光電功能特性，將電能直接轉(zhuǎn)換為光能的過程。其基本工作原理是從陽極注入的空穴和從陰極注入的電子在發(fā)光層中復(fù)合形成激子并以光能的形式發(fā)出，基本過程大致可以分為以下五個階段。

①載流子的注入。

電致發(fā)光器件在外加電場的作用下，空穴和電子分別從陽極和陰極注入到相應(yīng)的空穴傳輸層和電子傳輸層。

②載流子的傳輸。

空穴和電子分別從空穴傳輸層和電子傳輸層中移動并向發(fā)光層遷移。

③載流子的復(fù)合及激子的形成。

空穴和電子在發(fā)光層中復(fù)合，形成高能量狀態(tài)（激發(fā)態(tài)）的激子。

④發(fā)光。

激子經(jīng)過馳豫、擴(kuò)散等過程其能量以光子的形式發(fā)出。

⑤光子逃離器件。

光子穿過薄膜材料及透明電極發(fā)射出去。由于薄膜材料和透明導(dǎo)電電極本身的吸收和反射，光能要受到很大的損失。

（2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與分析。

實(shí)驗(yàn)的電學(xué)性能涉及：驅(qū)動電壓、驅(qū)動電流、以及電功率。實(shí)驗(yàn)的光學(xué)性能涉及：發(fā)光光譜、發(fā)光亮度、發(fā)光色度、以及光功率。電光轉(zhuǎn)換特性重點(diǎn)要考慮電光轉(zhuǎn)化效率，具體以發(fā)光效率（單位電流密度下的亮度）和功率效率（電功率轉(zhuǎn)換成為光功率的效率），對于材料科學(xué)和材料物理方面的科研人員傾向于用發(fā)光效率來表達(dá)，而材料工程領(lǐng)域的科研人員對功率效率更受關(guān)注。對于平面型發(fā)光光源（面光源）來說，不同視角下的發(fā)光光譜特征符合Lambertian分布，因此發(fā)光效率和功率效率之間的換算可以用關(guān)系式“功率效率=發(fā)光效率*π/驅(qū)動電壓”來計算。發(fā)光效率和功率效率都與發(fā)光光譜視覺靈敏度有關(guān)，光譜峰值位置不同，這兩個值有很大的差異。這兩種表示效率的方法都是從實(shí)用角度出發(fā)的，是平板顯示、特殊光源、固態(tài)照明等領(lǐng)域中表示效率的常用方法，與物理學(xué)中的傳統(tǒng)量子效率表示方法既有聯(lián)系又有區(qū)別。

將實(shí)驗(yàn)的測試數(shù)據(jù)記錄于表1中，根據(jù)發(fā)光光源的面積、驅(qū)動電流、電壓、和發(fā)光亮度計算出相應(yīng)的發(fā)光效率（cd/A）和功率效率（l m/W）。對于發(fā)光光譜的數(shù)據(jù)記錄，畫出以光波長為橫坐標(biāo)，以光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)的光譜圖，并確定發(fā)光峰值波長，典型的藍(lán)光光譜圖如圖2所示。

2 實(shí)驗(yàn)效果與思考

通過電致發(fā)光器件實(shí)現(xiàn)了材料電學(xué)性能、光學(xué)性能以及電光轉(zhuǎn)換特性的表征與評價。還可以繼續(xù)思考和理解以下幾個問題加深對知識的系統(tǒng)理解與綜合運(yùn)用。

（1）分析影響發(fā)光光譜、發(fā)光亮度和發(fā)光色度測試的因素主要有哪些？

（2）如何根據(jù)發(fā)光光譜計算出發(fā)光亮度和色度？

（3）如何根據(jù)發(fā)光光譜、驅(qū)動電壓和電流計算量子效率？

3 結(jié)語

通過在《材料物理性能》實(shí)驗(yàn)課程中開設(shè)電光轉(zhuǎn)換特性綜合實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生深入理解材料電學(xué)性能、光學(xué)性能、以及電光轉(zhuǎn)換特性之間的關(guān)聯(lián)性。同時也增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將理論知識與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐緊密結(jié)合起來，進(jìn)一步貼近了實(shí)際應(yīng)用。本文為目前大學(xué)本科《材料物理性能》實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)和教學(xué)模式提供了重要參考價值。

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