量子点材料发光特性及荧光量子效率测量研究

在当今的材料科学领域，量子点作为一种新兴的纳米材料，正逐渐崭露头角。量子点，也被称作半导体纳米晶，它是一种导带电子、价带空穴及激子在三维空间方向上均受到束缚的特殊半导体纳米结构。其三维尺寸通常处于2～10nm的范围内，形状近似为球形，而市场上常见的量子点材料大多为核壳结构。

 

量子点之所以备受关注，是因为它具备一系列独特且优异的光学特性。例如，它拥有激发光谱宽的特点，这意味着它能够吸收更广泛波长范围的光；同时，其发射光谱窄，使得发射光的颜色更加纯净、单一；再者，量子点的荧光效率高，能够更有效地将吸收的能量转化为荧光发射出来；此外，它还具有良好的生物兼容性，这为其在生物医学等领域的应用提供了广阔的前景。基于这些独特的纳米特性，量子点材料在众多领域展现出了巨大的应用潜力，广泛应用于发光器件、太阳能电池、催化、生物标记以及生物医学等领域的基础研究和应用开发。

在对量子点材料的研究中，准确表征其发光特性至关重要。其中，光致发光（Photoluminescence，简称PL）是一种常用且重要的研究手段。光致发光是指当材料受到紫外、可见或红外辐射激发时，会产生发光现象。在半导体材料的发光特性测量应用中，通常采用特定波长的激光（如325nm、532nm、785nm等）来激发材料（如GaN、ZnO、GaAs等），从而使其产生荧光。通过对所产生的荧光光谱（即PL谱）进行精确测量，能够深入分析该材料的光学特性，例如禁带宽度等关键参数。光致发光具有诸多优势，它能够提供有关材料结构、成分以及环境原子排列的丰富信息，并且是一种非破坏性的、高灵敏度的分析方法，因此在物理学、材料科学、化学以及分子生物学等相关领域得到了广泛的应用。

 

从原理上讲，光致发光是物体在受到外界光源照射时，吸收光子（或电磁波）后获得能量，进而跃迁到较高能级的激发态，随后再返回低能态，并同时重新辐射出光子（或电磁波）的过程。在量子力学理论的框架下，这一过程可以被精确地描述。而光致荧光发光则是多种形式的荧光（Fluorescence）中的一种。

在光致发光材料的研究进程中，荧光量子效率的计算具有极其重要的意义。荧光量子效率，又被称为荧光量子产额（quantum yield of fluorescence）或荧光效率，在一般情况下，这几个术语的描述是等价的。它指的是在单位时间（秒）内，发射二次辐射荧光的光子数与吸收激发光初级辐射光子数的比值，是衡量荧光材料发光能力的关键指标。其计算公式如下：

 

其中，表示荧光量子效率，为发射的荧光光子数，是吸收的激发光光子数。在实际测量中，外量子效率是可以直接测量的对象，然而内量子效率由于其测量的复杂性，通常需要通过出光率进行推算。

目前，测定荧光外量子效率的方法主要有比较测量法、量热式测量法以及直接光学测量法等。比较测量法需要一个与待测粉体光学特性相近且量子效率已知的弱吸收标准粉体作为参考，这在实际操作中可能会受到标准粉体获取难度以及与待测样品匹配度的限制。量热式测量法则要求精确知道粉体的吸收曲线，并且对光源性能、热敏探头灵敏度以及仪器隔热性能等都有着极高的要求。对于荧光粉这种高吸收粉体而言，其吸收曲线的测定本身就具有一定的难度。而国外通用的直接光学测量法是对激发前后光谱进行直接测量的方法，通常可以采用分布光度计或带荧光量子效率测试仪的系统来实现。分布光度计虽然测量精度较高，但它需要较大的暗室空间以及高精度的位移控制设备，不仅成本昂贵，而且全空间测量所需的时间过长。相比之下，基于积分球和荧光量子效率测试仪的直接光学测量系统具有测试原理简单、设备简易、测试方便快捷等显著优势。下面将以积分球测量的方法为例进行详细介绍。

 

经典三步测量法（整积分球测量方案）

积分球测量原理

积分球是一种具有高反射率内表面的空心球体，其主要作用是将入射光均匀地漫反射到球内的各个方向，从而实现对光的均匀收集和测量。在荧光量子效率测量中，积分球能够有效地收集样品发射的荧光，并将其传输到荧光量子效率测试仪进行分析。

测量步骤

1. 第一步，在积分球内不放置样品，将激光直接射入球内，此时测量得到的是背景光信号。

2. 第二步，将样品置于积分球中心稍偏离入射光的位置，测量此时的光信号。

3. 第三步，将样品置于积分球中心，再次测量光信号。

计算公式

根据测量得到的数据，按照以下公式进行计算：

 

其中，表示外量子效率，是样品在积分球中心稍偏离入射光位置时的测量光强，是背景光强，是激光直接射入积分球时的光强，和分别是激光入射口和样品的面积，和分别是激光入射立体角和样品发射立体角。

积分球半球法

半球法测试方案原理

积分球半球法是在经典整积分球测量方案的基础上发展而来的一种改进方法。它通过使用半球形的积分球，减少了积分球的体积和成本，同时提高了测量的效率和准确性。在半球法中，样品放置在半球形积分球的底部，激光从顶部入射，样品发射的荧光被半球形积分球收集并传输到荧光量子效率测试仪进行分析。

半球法的优势

1. 量子效率测量更高效快速：相比于整积分球测量方式，半球法减少了积分球的体积和光程，从而缩短了测量时间，提高了测量效率。

2. 样品安装方便，易添加附属的供电或温控模块：半球法的样品安装位置相对较低，便于操作和添加附属设备，如供电模块或温控模块，这对于一些需要特殊环境条件的样品测量非常有利。

缺点

1. 平面镜反光涂层与积分球内漫反射材料光学特性不一致：半球法中使用的平面镜反光涂层与积分球内的漫反射材料在光学特性上可能存在一定的差异，这可能会导致测量结果的误差。

2. 半球价格相对较高：由于半球法需要使用特殊的半球形积分球，其制造成本相对较高，因此设备价格也相对较贵。

典型搭建推荐

（注：Quantum yield measurement system by Hemi Sphere system, and evaluation by Standard sample）

测量步骤归纳

（具体步骤可参考经典三步测量法，根据半球法的特点进行适当调整）

在众多的量子效率测试系统中，景颐光电自主研发的荧光量子效率测试仪系统JY/QEY6500-PLS具有独特的优势。该系统主要用于材料（溶液、粉末、薄膜）荧光量子效率的测量，其测试系统经过可溯源的光源进行定标，能够精确地测量绝对量子产率、色度，同时还可以实现光致发光谱的测量和记录。除了更换光源、取放样品等必要的手动操作外，其他测量所需的操作都可以在软件界面上轻松完成，实现了自动化测量，大大提高了测量的效率和准确性。

 

与传统的荧光光谱仪相比，JY/QEY6500-PLS型量子效率测量仪具有体积小、使用方便等显著优点。它为科研人员提供了一种低成本、高效率的荧光探测和量子效率测量解决方案，非常适合相关高校和科研单位选购。景颐光电一直致力于量子效率测试技术的研发和创新，不断推出更加先进、更加精准的测试设备，为推动量子点材料等相关领域的研究和发展做出了重要贡献。

 

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