发光特性（精选8篇）
发光特性 篇1
发光二极管具有低、小、轻、长、快、好的优点, 这里所提到的低就是指所产生的电压低、具有极好的耐冲击, 同时具备极强的稳定性, 其生产成本低廉, 而小就是指功耗和体积都比较小, 便于日常的使用和安装, 轻就是指发光二极管的重量较轻, 长是指发光二极管的使用周期比较长, 快是反应速度快, 好是单色性能好, 由于它的这些特点, 因此它的应用范围较为广泛。
一、发光二极管的发光原理介绍
发光二极管采用了注入式发光原理, 其关键核心就是pn结, 属于一种固体形态的半导体元器件, 能够有效的将电能转化为光能, 是一种半导体晶片, 以支架为载体, 这种半导体晶片分别接入正负极, 通过树脂将整个晶片进行包裹。
发光二极管内的半导体晶片可以划分为P型半导体和N型半导体两部分, 其中在P型半导体中占据主要位置的就是内部的空穴, 而在N型半导体中大部分为电子。在这两种半导体的共同作用下, 形成了“P-N结”。当二极管有电流经过时, N型半导体内的电子就会被向P区推动, 电子就会和P区内的空穴进行结合, 随后光子就会产生能量, 这就是二极管发光的原理。发光二极管所产生的不同颜色是由于光的波长与制作P-N结材料的不同而产生的。发光二极管可以产生众多的颜色, 人们可以根据日常的使用需求进行选择, 适用于室内装饰、城市夜景、信号灯、液晶信息显示等领域的应用。
发光二极管发热英文缩减为LED, 主要是由含有氮、砷和磷等多种化合物所制造而成。通过多种化合物的共同作用所制作而成的发光二极管通常在仪器中被用作指示灯, 可以发出五颜六色的光, 人们利用先进的技术制作出照明产品, LED灯所采用的就是冷发光技术, 具有高亮度性和低发热性, 都是有无毒材料制作而成, 不会造成污染, 还可以再回收利用, 无辐射, 不产生紫外线和红外线, 安全方便, 是绿色光源产品, 还可以用三基色原理, 变换为成千上万种颜色变化, 再利用先进的科学技术, 实现人们对各种颜色的选择需求, 它具有正向伏安特性、光谱特性和光强角分布等特性。
二、发光二极管特性研究
发光二极管具有正向伏安的特性。即将正向偏置电压通过二极管时, 在最开始阶段刚开始, 电流在电压的影响下较慢, 电压逐渐增大直至导通电压时, 在二极管内就会有正向电流通过, 此时的电流就会急速增加致使二极管导通, 这时电压变化不大, 而电流变化大。加反向偏置电压时二极管不能导通, 但也不是一点也没有电流通过, 而是反向电流比较小罢了, 电流过大的话, 就会使二极管内的pn结极易造成损害, 所以从中可以看出二极管属于正向导通, 反向截止, 大电流击穿, 简单来说就是二极管具有单向导电性能。
光谱特性。有理论分析得出, 发光二极管中的禁带宽度与之相对应的电压值和阈值电压具有不相等性, 禁带宽度是半导体材料中空穴跟电子吸收和释放的能量, 阈值电压是电子流过pn结需要的能量与杂质浓度有密切关系。可见光的光谱波长在380nm-760nm中, 所以我们只能感受到赤、橙、绿、青、黄、蓝、紫这七中单色光, 因为白光不是单色光, 所以广众没有白色光。而是多色复合而成的光, 好比太阳光是由这七种单色光混合而成的白色光, 彩电中也是由三基色红、绿、蓝合成的白色光。显而易见, 要想使LED发出白光, 也要用这七色光合成。根据我们对可见光的探索, 我们所看到的白光, 不少于两种光的合成, 蓝光和黄光或蓝光、绿光、红光合成。它们都有蓝色光, 因此摄取蓝色光已成关键, 也就是目前的“蓝光技术”。
光强角分布特性。有视角与半值角为参数, 半值角影响光强角分布情况, 半值角小于20度, 指向性很高, 可用作局部照明, 不小于20度且不大于45度的角可作于指示灯, 半值角大于45度的散射性好, 由此可见半值角大小不同用途也不同, 我们可以利用这一点来制作我们所需要的各种灯具。
根据发光二极管上述的三种特性, 我们可以应用于各种领域, 指向性很好的高强度发光二极管可用于局部小范围照明, 比如小台灯、手电筒、头灯等, 其电压低, 功率小, 用干电池就可以供电了, 一般用多个并联使用, 使用寿命长。通过电路设计, 我们还可以连接到220v的交流电中使用, 由此可见, 假如把我们室内的日关灯, 夜间的路灯, 霓虹灯, 还有交通指挥灯等都改为发光二极管灯, 那么每年节约很多能源, 利国利民, 前景广阔。
三、结语
现在科学技术飞速发展, 近年来, 人们发明了一种全新发光二极管被叫做有机发光二极管。有机发光二极管克服了液晶的不足之处, 成为各种电子产品的材料, 被普遍应用, 由于有机发光电子材料特殊性质, 已被列为令人瞩目的有机电子学、塑料电子学范畴, 成为人们进一步研究的课题。
参考文献
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发光特性 篇2
采用磁控溅射在自持CVD金刚石厚膜的成核面上制备了ZnO薄膜,并实验研究了其生长特性和发光特性随O2和Ar流量的变化.利用X射线衍射(XRD)、光致发光(PL)光谱、电子探针(EPMA)和霍尔测量对样品进行了检测.结果表明,在O2/Ar比值约为1时沉积得到的.ZnO薄膜取向较一致,呈现高阻的状态并且发光性能最好.
作 者：孙剑 白亦真 谷建峰 刘明 张庆瑜 姜辛 SUN Jian BAI Yi-zhen GU Jian-feng LIU Ming ZHANG Qing-yu JIANG Xin 作者单位：孙剑,白亦真,刘明,张庆瑜,SUN Jian,BAI Yi-zhen,LIU Ming,ZHANG Qing-yu(大连理工大学,三束材料改性国家重点实验室,辽宁,大连,116023;大连理工大学,物理与光电工程学院,辽宁,大连,116023)
谷建峰,姜辛,GU Jian-feng,JIANG Xin(大连理工大学,三束材料改性国家重点实验室,辽宁,大连,116023)
发光特性 篇3
1 LED 发光原理
LED是一种半导体固态器件,将电信号转换为光信号。其核心是其中的PN结。LED具有PN结的特性,除此之外,在一定条件下具有发光的特性。在LED接正向电压的条件下,PN结正向导通,电子和空穴分别注入P区和N区,在少数载流子和多数载流子复合时,以辐射光子的形式将能量转化为光能而发光。光子发射源于电子和空穴对的复合,因其发光亮度和二极管的正向电流成正比列关系,因此改变其导通电流大小可调LED发光度。PN结正向导通后,其电压的微小变化可以引起其电流较大的变化,表现为具有非线性的单向导电性。同时,其温度也将影响其电气性能,根据导通后电压和工作电流的关系式 :(Is: 反向饱和电流 ;q :电荷常量 ;T :热力学温度 ;k: 玻尔兹曼常数 ;n :理论因子),Is和温度有关,随温度升高而上升,同时需要注意的是表达式中,i D电流与温度T成反比关系,在温度和电压的变化下,LED的光将随电压和环境温度的变化而变化,其发光时会导致不稳定,会对LED灯的可靠性及寿命造成损伤,实际上,LED灯在常温下光照正常,但随着内部结温的上升,其发光亮度会随之减弱。因此国际上除了提高LED灯的发光性能,还投入大量精力制作和改善其驱动电路。
2 LED 的连接方式
LED的连接方式大致分为串联连接、并联连接、混联三种方式。串联的优点是每个LED灯电流一致,如果LED灯一致性较好,则发光强度和色度一致。但其缺点是变化性不灵活,个性改变其强度和色度不容易。如果采用电压源驱动,由于LED灯品质、老化程度或其他原因导致性能不一致时,可能导致不良后果。为了克服串联电路中一个断路,整条都断的缺点,一般采用导通电压略大于LED灯的齐纳管并联 ;并联的优点是一条断了,其他照常工作。如果电压源驱动,但对于二极管来说,一点电压的改变会引起电流的剧变,电源波动都会引起电路的不稳定,如果采用电流源驱动,每条支路性质一致时,分配电路一致,当电路性质不一致时,则其分配不一致,同时一旦某条短路时,整个电路不会工作 ;混联可以先串再并,也可以先并再串。无论电压源或电流源驱动,单个LED灯的断或短对其他灯串影响不大,其可靠性较高,对LED的要求也相对宽松。交叉连接应该是属于混联的一种表现。
3 LED 的驱动
LED是直流驱动器件,供电方式不同,LED驱动电源 有DC/DC和AC/DC两种方式。当前经典的LED驱动电路包括电阻限流电路、线性控制调节电路、电荷泵变换器和开关变换器四种类型。为了实现对LED的恒流控制以及调光功能,开关型变换器在LED驱动应用逐渐占据主导地位。开关型变换器能够对输入的电压或者电流进行变换,并且能够通过控制开关管的占空比来实现对LED的恒流控制和调光功能,以实现高效率、高功率密度和很好的控制精度。开关型变换器通常分为隔离型变换器和非隔离型变换器,非隔离型变换器又通常分为Boost、Buck、Buck-Boost三种基本变换器。Flyback和Forward是隔离型变换器的两种基本类型。非隔离型还可以和隔离型组合应用,如Boost-Flyback、BuckBoost-Flyback等。近年来,许多半导体公司都推出了不同系列的LED驱动芯片,为了实现更好的恒定电流驱动LED,驱动电路中加入了功率因数校正环节,以提高驱动电路的效率和获取更稳定的输出电流来驱动LED。
4 LED 应用的问题
根据上述LED灯的性能,LED适用于用电流源驱动,考虑其温度特性,需要尽量控制LED的温度保持一个较低水平,否则结温升高会导致LED出现色散和光衰等问题。因此目前仍存在很多技术和设计问题,其中有 :(1)其驱动电源的使用寿命问题,LED的寿命理论上可以达10万小时,实际大约为4万小时,但驱动电源中用到的滤波电路中电解电容通常是使用寿命最短的器件。在LED照明环境下,电解电容的使用寿命一般不到5000小时,两者的寿命不匹配。(2)稳定性问题,由于LED灯的特性,需要驱动电路提供稳定的电流,就需严格控制电流在变化周期内的平均值,还需要考虑其散热性以确保其温度的稳定性能,只有稳定的电流和温度才能获取稳定的光通量。(3)模块化,模块化设计使电路在体积、方便性、可靠性及效率等性能都会有所提高。(4)输出功率增大的趋势,现实的需求的场合逐渐增加,从室外进入室内,各种大功率驱动电路往大电流方向发展。(5)效率问题,电压电流相位不同会引起供电效率较低,会使供电线路的负担加重。可以引入PFC校正电路,目的是提高输出功率和驱动电路的功率。6)电磁兼容和安全性问题,高频变压器和变换器中电感的应用会使电路向周围发射频率较高的高次谐波,产生噪声污染,驱动电源产生的高次谐波会回馈电网,对电网造成很大的电磁干扰,因此要采取相关措施降低电磁干扰提高安全性。(7) 成本问题,高品质的LED加其高质量的驱动电路的照价一直是推广应用的障碍,降低成本才能使LED灯在照明灯具中逐渐替代其他灯具。
5 结束语
LED灯的应用将会越来越广泛,了解其发光原理和特性及发展的方向,理解应用中为了达到高质量的使用而需要注意解决的问题,才能使绿色光源更快的发展和进入生产和生活的各个方面。
发光特性 篇4
相较于正装LED, 垂直结构采用高热导率的衬底(Si、Ge和Cu等衬底)取代蓝宝石衬底,在很大程度上提高散热效率;垂直结构的LED芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧,通过n电极,使得电流几乎全部垂直流过LED外延层,横向流动的电流极少,可以避免局部高温。但是目前垂直结构制备工艺中,蓝宝石剥离工艺较难,制约了产业化发展进程。而另一项发明的倒装结构LED,因其可以集成化、批量化生产,制备工艺简单,性能优良,逐渐得到了照明行业的广泛重视。倒装结构采用将芯片PN结直接与基板上的正负极共晶键合,没有使用金线,而最大限度避免了光淬灭问题。此外,共晶键合结构对散热问题有了很大的改善。在大功率LED使用过程中,不可避免大电流冲击现象,在此情况下,如果灯具的大电流抗冲击稳定性不好,很容易降低灯具的使用寿命。
因此,对比研究了垂直结构LED和倒装结构LED随着电流增大的光输出变化规律,并且与普通正装LED进行了比较,得出了倒装结构LED具有更好的抗大电流冲击稳定性和光输出性能。
1 样品制备与测试方法
1.1 样品制备
三种封装结构如图1所示。其中正装LED采用蓝宝石衬底峰值波长448 nm芯片,倒装芯片采用蓝宝石衬底峰值波长447 nm芯片,垂直结构芯片采用硅衬底峰值波长446 nm芯片。三种芯片大小均为1.16 mm×1.16 mm,工作电流350 mA, 硅胶采用普瑞森公司的0967型号,荧光粉采用威士波尔的YAG-4。正装结构芯片的正负极通过金线引线键合焊接在支架的正负极上;垂直结构芯片的正极是通过金线引线键合焊接在支架的正极上,负极是通过金球共晶键合在支架的负极上;倒装芯片的正负极是通过金球共晶键合在支架的正负极上。
1.2 测试方法
光通量、发光效率和色温采用杭州远方公司生产的STC4000快速光谱仪,测试原理如图2所示。被测LED采用固定夹具放在积分球中心,LED发射经积分球内部白色漫反射层,漫反射一部分光线通过积分球表面的窄通光孔径光纤传输到微型多通道光谱仪,光谱仪采集的数据通过USB接口发送到计算机进行处理和显示[17]。光源采用恒流源供电。
2 结果与讨论
2.1 光通量随电流变化关系
图3示出了在驱动电流从50 mA到2 000 mA条件下,倒装封装LED、垂直结构封装LED和正装封装LED的光通量随电流增加的变化趋势曲线。从图3中可以看出,随着电流的逐渐增大,三种结构LED的光通量都随着电流的增加而增加,但是增长幅度逐渐减小。在驱动电流达到1 200 mA时,垂直结构LED首先达到光通量饱和点,而此电流条件下的倒装LED的光通量比正装LED的光通量高出14.7%,比垂直结构LED的光通量高出25.9%。随着电流的继续增大,垂直结构LED的光通量变化显示其已接近失效,倒装LED的光通量在电流1 550 mA时达到了饱和,比垂直结构LED饱和电流值增加了350 mA。光通量的测试结果表明,倒装结构PN结温低、散热好。因此得出,倒装LED比其他两种结构LED的可靠性高,尤其是抵抗大电流冲击可靠性高,这一项性能有利于提高LED在实际应用中的使用寿命。
2.2 发光效率随电流变化关系
图4示出三种LED结构电流与发光效率的关系曲线。从图4中可以看出,当电流从50 mA增加到2 000 mA时,三种LED的发光效率都呈下降趋势,倒装LED的发光效率在整个电流变化区间内均高于其他两种LED的发光效率。而垂直结构LED在电流大于1 200 mA, 发光效率迅速下降,显示光输出异常,这与光通量的测试结果吻合。在三种LED的工作电流350 mA时,倒装LED的发光效率比垂直结构LED的发光效率高出8 lm/W, 比正装结构LED高出31 lm/W。
倒装LED的光通量和发光效率的提高,可能原因有:(1)倒装LED的外量子效率高。三种封装结构的折射率分布如图5所示。其中图5a所示为倒装封装结构的折射率分布图;图5b所示为垂直封装结构和正装封装结构的折射率分布图。根据Snell定律[18],倒装LED光从GaN到蓝宝石的全反射临界角θ=sin-1(n蓝宝石∕n GaN)=44.5°,蓝宝石到封装硅胶的临界角为θ=sin-1(n硅胶∕n蓝宝石)=57.4°;而垂直结构和正装LED的光从GaN直接传输到封装硅胶层,其全反射临界角为θ=sin-1(n硅胶∕n GaN)=36.2°,小于倒装的光传输界面的临界角。较大的临界角可使更多的光输出,因此,倒装结构相较于正装和垂直结构LED有更高的外量子效率,从而得到了较高的白光发光效率。(2)倒装PN结到环境热阻低。随着电流的增加,由于热阻原因芯片温度随之升高,从而增加了载流子的非辐射复合几率,降低了辐射复合几率,造成发光效率下降。热阻越高,芯片升温越高,发光效率下降越快。倒装的PN结与支架的正负极采用共晶焊接,热传输距离短,散热面积大,更利于热传导,因此可以得到较低的热阻值,降低PN结温,从而减慢光效下降速度。这与光通量随电流变化实验结果吻合。
2.3 色温测试
色温是光源光谱质量最通用的指标。对于LED光源的需求色温多数都是比较低的,并且对于同一批次的产品而言,色温偏差越小,质量越优。对色温的控制研究,一直都是企业满足顾客需求的关键参数。
图6为三种封装结构LED的电流色温曲线对比图。通过实验测试,随着驱动电流的升高,三种封装结构LED色温都随着电流的增加而升高,而倒装LED的色温升高斜率最小约为0.40,正装LED的色温升高斜率约为0.67,而垂直结构LED在电流小于1 200 mA(光通量饱和点)时色温增加斜率约为0.84,超过1 200 mA时,色温参数接近失效,这与光通量测试和发光效率测试结果吻合。倒装LED的色温饱和点约为1 600 mA, 比垂直结构LED的色温饱和点高出400 mA。说明倒装LED在较大电流冲击情况下,光输出特性比垂直结构LED稳定。
3 结 论
发光特性 篇5
ZnO属Ⅱ—Ⅵ族化合物半导体在室温下具有宽的带隙(3.37 eV)、高的激子束缚能(60 meV),强的紫外波段自由激子跃迁发光等特性,是制造蓝/紫光电器件的理想材料,成为近年来继GaN之后国际上又一研究热点[1,2]。为了更好地利用ZnO纳米结构的各种性能,在不同衬底[3,4,5,6,7]尤其是金属导电衬底[8]上合成维度可调、形貌可控的ZnO纳米结构成为纳米材料研究领域的一个重要课题。目前,在衬底上生长ZnO薄膜的方法主要有气-液-固(VLS)法[9,10,11]、化学气相沉积法(CVD)[12,13]和水热法[14,15,16,17,18]等。中温水热法具有能耗低、原料廉价、易于控制、绿色环保等优点,常用来制备纳米薄膜。Zn片兼作基底和锌源,既能解决导电性问题,又节省成本。Zn表面室温下极易被氧化,生成ZnO薄膜;同时,基底表面性质对后续生长纳米薄膜的形貌也有显著影响。因此,本文采用水热法在不同预处理的Zn片上制备ZnO纳米棒阵列,通过对Zn片和ZnO的晶体结构、形貌和发光特性进行测试,研究Zn片晶粒取向和预处理工艺对ZnO形貌及ZnO纳米纳米棒阵列的发光性能的影响。
1 实验部分
1.1 ZnO纳米棒的制备
ZnO纳米棒采用分析纯的水合肼(N2H4·H2O,80%)在金属Zn晶片(5×7×1 mm3)上水热合成。其中编号I、II、III晶片纯度为5N,编号IV纯度为6N5。
Zn片的预处理:Zn片抛光后,依次置于丙酮、无水乙醇和去离子水中进行超声波清洗,然后按表1所示工艺在室温下进行预处理。
ZnO纳米棒的制备:将按如表1所示预处理的Zn基底放置在聚四氟乙烯内衬的反应釜中,加入1 mL的水合肼(浓度为8%)和30 mL的去离子水,密封,于170 ℃恒温8 h水热合成后快速冷却至室温。取出Zn片,用去离子水清洗数次,在60 ℃烘箱中干燥数小时。
1.2 ZnO纳米棒的表征
采用日本理学D/max23C型X射线衍射仪进行样品的XRD测试,采用CuKα靶(λ=0.154 8 nm),扫描速率为0.02 °/s,2θ测量范围为20°～85°;采用日本电子株式会社生产的JSM6700F型场发射扫描电镜观察样品的形貌;采用法国Jobin Yvon公司的TRIAX550型光谱仪进行PL测试,激发源波长为325 nm。
注:√已测试,○未测试。*为未预处理前进行测试
2 实验结果与分析
2.1 结构与形貌
图1是Zn晶片的XRD图谱,其中图1(a)和1(b)对应编号I和II晶片。图谱1(a)是经过对照标准图谱,标定为纤锌矿结构的Zn(JCPDS卡号:04—0831),且(100)、(101)和(110)晶面的衍射峰强度较高。在图1(b)中,除了Zn的衍射峰外,还存在四条较弱的衍射峰,经标定为纤锌矿结构的ZnO(JCPDS卡号:36—1451)。Zn(002)晶面的衍射峰和ZnO(101)晶面的重合。ZnO衍射峰的出现,说明Zn片预处理后表面已被氧化,生成了ZnO。编号III晶片与I、II晶片批次相同,故未作测试。图谱1(c)是编号IV晶片预处理前的XRD图谱。谱图中Zn(101)晶面衍射峰很强,而(110)和(112)晶面衍射峰非常弱,因此可以近似认为该晶片具有单一表面取向。
图2是水热反应后样品的XRD图谱。图中各峰位置相同,均可归结为纤锌矿结构的Zn和ZnO,其中Zn基底主要出现(002)、(100)、(101)、(102)、(110)晶面衍射峰,ZnO主要出现(100)、(002)、(101)、(102)、(103)、(112)及(201)晶面衍射峰。但是,生长后Zn晶面衍射峰的强度有大幅度降低,而ZnO晶面衍射峰的强度明显增强。这说明在Zn基底上已经生长了一层ZnO。
图3给出了所制ZnO样品的形貌。图3(a)是在编号I基底上制备的ZnO的FESEM图像,基底表面仅有ZnO纳米颗粒。图3(b)示出了编号II基底上所制ZnO的形貌,ZnO呈棒状,直径约为100 nm,杂乱地分布在基底上。对比图3(a)与图3(b),我们发现有无预处理过程,所制ZnO纳米晶形貌差异很大,预氧化处理有利于在Zn基底上生长ZnO纳米棒结构。我们认为,在水热制备过程中,在未预处理的Zn表面上ZnO均匀形核;而在预处理的Zn表面上,生长基元(Zn(OH)
图3(c)是在编号III基底上制备的ZnO的FESEM图像,ZnO纳米棒排列较规则,长度约为1.5 μm,直径约在100 nm左右。对比图3(b)与图3(c),我们发现一有趣现象:ZnO纳米棒几乎平行于Zn基面,且排列较为一致。而且,从XRD图谱发现,Zn基底生长前后的衍射峰相对强度发生了明显变化:生长前Zn(110)晶面衍射峰相对最强(如图1(a)和图1(b)所示),而经预处理腐蚀和生长后,Zn(101)晶面衍射峰相对最强(如图2(b)所示)。这说明在腐蚀预处理后的Zn表面出现了择优显露面,择优面具有某一固定取向,因此该面XRD衍射峰强度增强。由此我们意识到,单一取向Zn基底表面有利于制备排列方向规整的ZnO纳米棒阵列,所以我们选用具有单一取向表面的Zn晶片(编号IV)进一步研究Zn基底表面特性对ZnO纳米棒排列方向的影响。
图3(d)是在编号IV的Zn基底上制备的ZnO纳米棒阵列的FESEM图像。棒状ZnO微晶长度为1.5 μm,直径在(50～400)nm,较整齐排列在基底上。这反映了Zn基底表面晶体学取向对水热制备ZnO纳米棒的生长方向具有显著的影响。初步分析认为,由于基底为Zn单晶,其表面具有单一的晶体学取向,基底表面上形成的非连续的ZnO颗粒也具有择优的取向。在N2H4·H2O水热条件下,基底上裸露的Zn “溶解”,形成生长基元(Zn(OH)
2.2 光致发光性能
图4为在编号II、III、IV的Zn基底上制备的ZnO纳米棒的低温(10 K)PL谱图。三个样品的发射谱线峰形基本一致,在370 nm附近出现了强本征紫外光发射峰,该发射峰可归结为近带边(NBE)的激子发射,它源自导带中的电子和价带中的空位形成的激子复合。该发射峰相比于体材料ZnO的本征发光位置390 nm,发生了蓝移,这反映了我们所制备的ZnO微晶尺寸在纳米量级。同时,谱线上还存在微弱的强度不等的杂峰,如390 nm和410 nm附近处。390 nm峰位可能源于Zn基底表面上在预处理过程中形成的连续ZnO薄膜,而410 nm峰位则与ZnO晶体缺陷有关。
在编号II、III、IV的Zn基底上制备的ZnO纳米棒的低温(10 K)PL谱的本征线宽分别为12.701 29,11.245 51,6.556 82。计算紫外发射峰强度与可见光区域发射峰强度的比值:IUV/Ide,在编号II、III、IV的Zn基底上的样品分别为8.1,10.0,11.5。对比三张谱图,我们发现随着纳米棒阵列排列整齐性的提高,本征线宽(FWHM)逐渐减小,缺陷峰的百分相对值也逐渐减小。阵列棒的PL谱线半峰宽最窄,强度最大,且缺陷峰相对百分值最小,表明该阵列棒ZnO纳米晶具有高的结晶质量。
3 结 论
(1) 在预氧化处理的Zn基底上,由N2H4·H2O水热体系在170 ℃下反应8 h,获得了ZnO纳米棒阵列结构。
(2) Zn基底表面晶体学取向对ZnO纳米棒的生长方向具有显著影响,单一晶体学取向表面有利于生长排列整齐的ZnO纳米棒阵列。
(3) 光致发光谱分析测试表明,ZnO纳米棒有强的近带边紫外光发射峰和弱的缺陷发射峰;阵列棒本征发射峰强度最高,缺陷峰最弱,反映了该ZnO纳米棒结晶质量高。
发光特性 篇6
关键词：生物超弱发光,种子活力,种质资源,保存
众所周知, 种子在贮存过程中随着时间的延长会发生老化、劣变而导致生理生化特性发生改变, 由此造成种子质量特性———种子活力的下降。常用检测种子活力的方法有直接法和间接法, 这些都属于有损检测。特别对于稀有种子, 用这些方法测定后将无法再利用, 造成不可挽回的资源损失, 因此, 在种质资源保存领域, 需要一种快速、无损的种子活力检测方法。
生物组织或细胞在生命活动的代谢过程中都会自发地辐射出一种极其微弱的光子流[1], 其强度为几个到几百个光子.s-1.cm-2, 波长范围180~800 nm, 称为生物系统的代谢超微弱发光 (ultra-weak luminescence, UWL) , 反映了生物体与生命活动过程的有关信息[2]。
生物超弱发光通常包括两部分:一种为自发的超微弱发光, 与生物体的代谢有关;另一种为延迟发光 (delayed lumines-cence, DL) , 是由外界如光、电离辐射、超声、化学药物等因素诱导而发光。自发发光和延迟发光与生物的新陈代谢状态和水平, 细胞的分裂、死亡、变异以及细胞间信息的传递等许多基本的生命过程都有着内在的联系, 是反映生物体内部机能的一个重要窗口[3,4]。
本试验利用生物超弱发光特性, 在不破坏被检种子物理和化学结构的情况下检测种子的发光光子数, 以此分析与贮存时间的关系, 以期为种质资源的安全贮存与适时更新提供一种无损、快速、准确的检测方法。
1试验材料与方法
1.1试验材料
从种子资源库中选取小麦、玉米、大豆、水稻4种作物的种子, 贮存时间分别是1年、3年、5年、7年、9年, 贮存温度为0℃, 湿度为30%。
1.2试验方法
1.2.1发芽势及发芽率的测定
取以上4种作物种子, 在自然状态下放置24 h, 使其温度与环境一致, 然后按照《农作物种子检验规程》 (GB/T3543.3-1995) 的标准方法进行发芽试验, 统计发芽率和发芽势。
1.2.2自发发光的测量
从库中取出种子, 置于4℃保鲜箱中24 h缓慢升温, 再置于生化培养箱中缓慢升温至25℃, 使之尽量保持种子贮存时的自然状态, 不因为升温破坏种子的基础代谢。为了使种子数量能够覆盖测量杯底并略有盈余, 从每个年份的种子中随机取出3组 (小麦每组50粒、玉米10粒、大豆15粒、水稻70粒) 。先将种子置于暗室中30 min, 随后取出放入超微弱发光测量仪的测量杯中进行测定, 时间为100 s, 以每种样品3组的测量平均值作为总光子数, 计算自发光光子数。
式中:t为100 s, N为总光子数, n为种子总粒数。
1.2.3延迟发光的测量
为从多个方面反映贮存时间对种子生理特性的影响, 可采用延迟发光特征检测。经过外界较强光照的激发, 对在低温、低氧、超干条件下长时间贮存的种子起到“唤醒”作用。有文献报道可采用几十Lux[5]的日光灯或LED灯珠照射新鲜种子, 而本试验中部分种子经过了较长时间的贮存, 因而选择光强度为4 000 Lux的日光灯为光源对种子进行照射。样品分组方式与自发发光测量相同, 将待测样品依次照射2 min, 迅速测定延迟发光光子数, 每次100 s。
2结果与分析
2.1发芽率、发芽势测定结果
由图1可知, 小麦、玉米、大豆、水稻4种作物种子的发芽率随着贮存时间的延长逐渐降低, 而且趋势大致相同, 与贮存时间呈负相关, 大体上是1~7年间发芽率缓慢降低, 7年后明显降低。图2反映出4种作物的发芽势曲线与发芽率相似, 降低趋势也基本一致。不同作物之间的发芽势则有明显差异, 其中大豆发芽势曲线略有不同, 表现为保存5年的大豆种子呈现出显著下降, 之后趋于平缓。这是由于大豆属高脂肪作物, 含有丰富的不饱和脂肪酸, 在储存过程中极易氧化变质, 耐贮性低于其他3种作物。
种子活力的高低体现在发芽率和发芽势的高低。随着贮存时间的延长, 种子内部的营养物质逐步呼吸消耗, 种子的生命活力衰退, 表现出种子的发芽力在逐年降低, 因而对活力变化趋势的影响是一致的, 但在贮存过程中, 这4种作物的耐贮性因作物类别而呈现差异。
2.2发光检测结果与分析
将4种作物不同保存年限种子测得的自身发光光子数作图3。可以看出, 种子保存时间不同, 其自身发光存在明显差异, 呈现下降的趋势, 这是由于随着时间的延长, 自身的生理活动 (呼吸氧化作用) 、各种酶的活动在外界环境的影响下发生了生理生化的变化, 活力也随之降低, 总体上是随保存时间的延长而减弱, 这与图2的发芽势曲线具有相同的变化趋势。而不同作物种子之间也存在着明显差异, 这可能与种子本身的特性, 如种子大小、内在品质、活性氧及还原性物质的含量等有关。大豆的超弱发光曲线与其他3种作物略有不同, 保存前3年变化较小, 保存第5年以后则急剧下降, 与发芽势曲线相似。
通过对4种作物发芽势及超弱发光数据进行相关分析 (见表1) , 相关系数达0.96~0.98, 表明差异达极显著水平, 存在极强的正相关, 这也证明了种子超弱发光强度的高低在一定程度上反映种子活力的大小, 可以作为衡量种子活力的重要指标。
2.3延迟发光结果与分析
种子经过强光激发后测得延迟发光数据, 作出拟合曲线如图4、图5、图6和图7, 经比较分析其规律后, 可以较好地反映种子活性与贮存时间在延迟发光方面有密切关联。
同一种种子延迟发光的拟合曲线呈现出明显的层次性, 保存时间长的种子其光子数高于贮存时间短的种子。这种现象的原因可能在于种子遭受外界环境干扰时 (光照) 要靠自身的新陈代谢来修复, 保存时间短的种子可能快速修复完毕, 而保存时间长的种子仍在进行旺盛的新陈代谢来修复细胞基础代谢, 导致贮存时间长的种子发光强度高于保存时间短的种子。
另外, 不同作物之间的延迟发光初始强度亦存在差异, 表现为大豆>小麦>水稻>玉米。这可能是由于不同作物种子内部的细胞内高分子物质如淀粉、蛋白质、脂肪、可溶性糖等含量的差异, 反映到DL特性上的结果。
3结论
本试验对4种作物5个贮存年限的种子进行了超弱发光测量, 结果显示, 种子的自发光强度与贮存时间呈负相关性, 即种子储藏时间越长, 自身发光强度越弱, 这与种子活力水平的变化相一致, 由此可作为检测种子活力的主要指标。而在延迟发光方面, 则表现出贮存时间与延迟发光特性呈正相关性, 即贮存时间长的种子其光子数越高。这种特性很好地将延迟发光作为反映种子内部新陈代谢变化的一个窗口, 可以作为衡量种子活力高低的另一指标。
许多研究认为, 种子超弱发光强弱与其内部基础代谢活动有着非常密切的关联[6~9], 本研究也得出了与之相符的结果。基于超弱发光特性对生理状态变化的敏感性以及对许多物理、化学因素的敏感性, 为其作为表征贮存种子活力状态的指标提供了可行的依据。由于本试验参试作物的种类较少, 在其他类别种子中的应用有待于进一步探索。
总之, 相对于传统化学检测方法及其他有损伤检测, 该方法样品量少且不破坏种子, 特别对于种子量少的珍贵品种极其有益, 是一种费用低、灵敏度高、快速、简洁的方法, 在种质资源保存中有着广泛的应用前景。
参考文献
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发光特性 篇7
Y3Al5O12(YAG)具有立方结构,空间群为Ia3d(Oh),Y3+离子占据晶体中八个阳离子配位的十二面体中心位,处于D2点对称格位[11],稀土掺杂离子在纳米微粒表面中的格位对称性较体相材料低的多,易于获得显著的光谱变化[7]。选择Eu3+离子作为荧光光谱探针,以YAG:1%Eu3+纳米体系为例,通过变温荧光发射光谱和盐酸“浸蚀”表面处理,研究了表面效应、表面缺陷等对发光特性的影响。
1 实验部分
1.1 样品制备
分别采用沉淀法和低温燃烧法制备了YAG:1%Eu3+纳米晶。首先将Y2O3(纯度为5N)和Eu2O3(纯度为4N)溶于硝酸配成溶液,将Al(NO3)3用去离子水配成溶液,按化学计量比,取适量Y(NO3)3、Eu(NO3)3、Al(NO3)3溶液混合,磁力搅拌至均匀,形成硝酸盐混合液。沉淀法制备过程为:取适量上述混合液,边搅拌边缓慢滴入碳酸氢铵稀溶液中,继续搅拌4h,然后离心、洗涤数次,将沉淀物置于电阻炉1000℃退火2h。
低温燃烧法制备过程为:取适量混合液于一烧杯中,磁力搅拌,按尿素和硝酸根摩尔比5∶3称取尿素并加入到混合液,搅拌均匀后,将混合液移入坩埚,在普通电炉上加热,待水分快蒸干时移入800℃电阻炉,燃烧完成后,再于1000℃退火2h。
YAG:Eu3+纳米微粒的盐酸“浸蚀”过程如下:取适量沉淀法获得的YAG:Eu3+纳米粉末,加无水乙醇磁力搅拌2h,再进行变频超声分散1h,然后放入50℃电热烘箱除去乙醇,再加入过量浓盐酸和去离子水,强力磁搅拌,对纳米微粒进行表面处理,时间30天。最后经离心、去离子水冲洗多次,1000℃电阻炉退火2h。
1.2 样品测试
采用日本Rigaku公司D/MAX-IIIA型X射线衍射仪测量样品的X射线衍射谱;采用荷兰FEI公司Tecnai G2 20型透射电子显微镜观察样品的形貌和尺寸;采用日本日立F-4500荧光分光光度计测试样品的室温激发光谱和发射光谱;以457nm激光为光源,采用美国Janis CCS-150低温系统和卓立汉光荧光光谱测试系统对样品的变温荧光特性进行测量。
2 结果与讨论
2.1 样品的结构形貌分析
图1是沉淀法和低温燃烧法制备的YAG:1%Eu3+样品的XRD图谱,可见,样品的衍射峰与立方相YAG的标准衍射图谱(JCPDS No.33-40)一致。图2(a)和2(b)分别为沉淀法和燃烧法制备样品的透射电镜照片,由图可知,沉淀法制备的YAG:1%Eu3+纳米微粒平均粒径约为30nm,分散性较好,燃烧法制备的纳米微粒粘结在一起,团聚严重,平均粒径约为40nm。
(a:沉淀法;b:燃烧法)
(a:沉淀法;b:燃烧法)
2.2 室温发光特性
图3是YAG:1%Eu3+纳米粉末在不同波长激发光下的室温发射光谱。从图3(a)、(b)可以看出,最强发射峰位于590nm,它同596nm谱线同属于Eu3+离子的5D0→7F1跃迁,609nm、622nm和630nm谱线来源于Eu3+离子的5D0→7F2跃迁,648nm和654nm谱线来源于Eu3+离子的5D0→7F3跃迁,696nm、701nm和709nm谱线来源于Eu3+离子的5D0→7F4跃迁。在YAG这种基质材料中,Eu3+杂质离子是取代Y3+离子,占据D2对称格位,具有较高对称性,故发射光谱以5D0→7F1磁偶极跃迁为主,其590nm发射峰线强约为609nm发射的2.5倍。值得注意的是,5D0→7F2和5D0→7F4均为电偶极跃迁,但在该体系中Eu3+离子的5D0→7F4跃迁比5D0→7F2跃迁还强,这与Y2O3:Eu3+、YBO3:Eu3+等体系中明显不同[12,13]。
对样品的发射光谱进行测量,发现燃烧法制备的样品出现了发射光谱谱形依赖于激发光波长的现象,图3(c)、(d)、(e)分别是363nm、377nm和402nm激发时的发射光谱,其中596nm发射峰强度相对减弱,同时又出现了593nm和598nm发射峰,5D0→7F2跃迁的发射光谱也发生了很大变化,614nm、616nm和618nm发光峰显著增强,来源于5D0→7F4跃迁的709nm发射大幅度减弱。而对于沉淀法制备的YAG:1%Eu3+纳米粉末,在改变激发波长时,发射光谱形状没有任何变化。
(a:沉淀法(exc=395nm;b:燃烧法(exc=395nm;c:燃烧法(exc=363nm;d:燃烧法(exc=377nm;e:燃烧法(exc=402nm)
为探明原因,测量燃烧法制备的YAG:1%Eu3+纳米粉末的激发光谱,如图4所示,当监测614nm发射时,观察到了377nm、399nm和402nm处有3个明显的激发峰,考虑到沉淀法制备样品中并无此现象,这表明该现象与样品制备方法有关,可能是在燃烧法制备样品时,反应时间极短,表面结晶质量不高,纳米微粒的表面效应可能是直接原因,也不排除起因于生成了微量杂相(难以用XRD检测出)。
2.3 表面处理对发光特性的影响
采用变频超声和盐酸“浸蚀”技术,对沉淀法制备的YAG:1%Eu3+纳米微粒进行了分散和表面处理。图5是处理后样品的发射光谱和激发光谱。可知,表面处理后的样品在235nm激发下,其发射光谱和处理前一致,而在395nm激发时发射光谱中676nm和693nm发射峰显著增强,甚至693nm发射强度超过590nm发射,而其他发射相对强度没有改变。通过检测693nm、709nm和590nm发射得到激发光谱,从图可看出693nm发射的激发谱中出现了两个宽带,中心位置分别在311nm和395nm,而590nm和709nm发射的激发谱中没有宽激发带,这表明这两个新的宽激发带是造成676nm和693nm发射显著增强的原因。在盐酸“浸蚀”下,纳米微粒表面部分原子被溶解,从而产生更多的悬空键和空洞,纳米微粒的表面效应增强[8],这些表面缺陷可能导致在基质中出现了新能带,且对应于上述的宽激发带。
(a:λexc=395nm;b:λexc=235nm;c:λem=693nm;d:λem=709nm;e:λem=590nm)
2.4 变温发光特性
图6是沉淀法制备的YAG:1%Eu3+纳米样品在表面处理后,在457nm激光激发下测量的变温发射光谱,由图可以看出,随着温度的降低,590nm、609nm、630nm和709nm发射的强度均有一点增大,这主要是在较低温度下,无辐射弛豫速率减小,辐射速率增大造成的;676nm发射强度随温度降低大幅增大,而693nm发射强度却随温度降低而显著减弱。而对于未表面处理的沉淀法制备的样品,其变温发射光谱中各发射峰的相对强度没有改变。我们认为是新出现的311nm和365nm处两个宽激发带对应的能带对温度非常敏感,而且温度降低,抑制了其活性。而676nm发射强度随温度变化不同于693nm发射,表明其来源亦可能不同。该实验现象有待进一步研究。
3 结论
发光特性 篇8
本实验采用直流溅射法在Si基片上引入TiO2过渡层制备了ZnO薄膜,并研究了过渡层特性对ZnO薄膜结构和光学性质的影响。
1 实验
采用直流反应溅射法在p型Si(100)衬底上制备有TiO2过渡层的ZnO薄膜,实验所用的衬底电阻率为6~12Ω·cm,载流子浓度为1015/cm3。基片先经有机和无机溶剂的超声振荡清洗,以除去表面的有机和无机杂质(包含SiO2),然后用去离子水充分清洗干净,最后用干燥的N2吹干后迅速放入真空室。溅射TiO2过渡层和ZnO薄膜所采用的靶材分别为99.99%的纯Ti靶和99.99%的纯Zn靶。利用纯Ti靶在基片上沉积TiO2过渡层;调整设备将Zn靶对准基片(取代Ti靶的位置)原位溅射生长ZnO薄膜。TiO2过渡层和ZnO薄膜有相同的溅射参数,氧气和氩气分压分别为133.3Pa和399.9Pa,基片温度为300℃,溅射电压为2.0kV,生长时间均为60min。生长后的样品均在800℃空气气氛下退火1h。为了方便叙述,将在Si基片上直接生长和引入TiO2过渡层后的ZnO薄膜样品分别记为a和b。
采用旋转阳极X射线衍射仪(日本理学电机公司D/Max-rA型)测量ZnO薄膜的晶体结构,X射线的波长为0.154nm(Cu Kα线)。光致发光谱是由He-Cd激光器的325nm谱线激发,样品表面接收到的激光功率为2mW。
2 结果与讨论
图1为Si基直接生长(a)和引入TiO2过渡层(b)的ZnO薄膜XRD图。从图1可以看出,除了与Si有关的(002)衍射峰外,两者均出现了ZnO的(100)、(002)、(101)和(110)晶面的衍射峰;但Si基直接生长的ZnO薄膜呈现明显的c轴择优取向,而引入TiO2过渡层后,ZnO沿多个晶向生长,不存在择优取向。这可能是由于引入过渡层后改变了晶粒生长的成核环境,进而改变了晶面的表面自由能,使ZnO晶粒的择优取向特性消失。此外,在两种样品的XRD谱图中,均可观察到位于44°的衍射峰。本实验以石墨作为底座会造成一定程度的C污染,对真空室中其他位置沉积的粉末污染物取样测试显示,其主要成分为C,且C在44°存在非常强的衍射峰,因此推断该衍射峰来源于C。表1为两种薄膜的晶体结构特性对比。由表1可看出,在Si上引入TiO2过渡层后,ZnO薄膜(002)晶面的衍射角向小角度方向移动,半高宽变窄;组成薄膜的平均晶粒尺寸从19nm增加到24nm。可见引入过渡层可以使薄膜的平均晶粒长大,晶界变少。
根据X射线衍射理论2dsinθ=λ,通过(002)晶面衍射峰的位置计算得出ZnO薄膜的晶格常数c。样品a和b的晶格常数c分别为5.196Å和5.214Å。引入过渡层后ZnO薄膜的晶格常数c变大,更接近没有应力的粉末样品的晶格常数(5.209Å)。根据薄膜的应力与晶格常数的关系,对于c轴取向的六方纤锌矿结构的ZnO薄膜,其沿c轴方向的应力可由式(1)来计算[22]:
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式中:c为薄膜样品的晶格常数,c0为粉末样品的晶格常数5.209Å(卡片:JCPDS No.80-0075)。其中还要用到单晶ZnO的弹性系数:C11=208.8GPa,C33=213.8GPa, C12=119.7GPa和C13=104.2GPa,将这些数据带入式(1)可得σ=-233(c-co)/co。如果计算结果为负号,表示ZnO薄膜内部存在沿c轴方向的拉伸应力,反之,薄膜内部存在沿c轴方向的压缩应力。对于样品a,薄膜内部存在沿c轴方向的压缩应力,约为0.58GPa;引入过渡层后,薄膜内的残余应力由压缩应力转为拉伸应力,从0.58GPa减小到0.22GPa。薄膜材料内部的应力由很多种原因造成,如与衬底之间的晶格失配和热失配、热退火处理、薄膜生长参数、薄膜厚度等。当引入TiO2过渡层之后,ZnO薄膜的生长受Si衬底的影响可以忽略,无定形的TiO2作为一种柔性层直接影响界面处的化学状态,使ZnO与TiO2之间的界面态变少,薄膜内的应力得到一定程度的释放。
测量了两种条件下制备的ZnO薄膜的室温光致发光谱,如图2所示。
从图2中可以看出,两种样品都具有很强的紫外发光和微弱的可见发光。紫外发光一般与材料的激子复合密切相关,而可见发光则来自与材料内部的本征点缺陷相关的跃迁。从图2中还可以看出,有TiO2过渡层的ZnO薄膜,紫外发射的强度明显高于直接在Si衬底上得到的样品,这是由于ZnO薄膜结晶质量提高所致。此外,TiO2的引入也增强了ZnO薄膜的绿光(λ=533nm)带的发射。关于绿光带的发射机理有很多不同的解释。Lin等[23]认为绿光发射来源于OZn缺陷能级与价带之间的跃迁。在ZnO/TiO2/Si薄膜的制备过程中,由于在界面处引入了TiO2,导致在生长过程中氧浓度相对增加,OZn的跃迁几率也随之增加,因而绿光发射也明显增强。为了研究TiO2过渡层使ZnO薄膜紫外发射增强的机理,测量了样品b的低温(80K)和变温光致发光谱(LTPL)。图3为过渡层样品在80K时测量得到的光致发光谱,显示出与室温发射谱一样的特征:很强的紫外发射和微弱的绿光发射。此外,紫外部分显示出非对称性,在低能端有带尾出现。图3中插图为紫外发射的高斯拟合图,可以看出紫外区域为多个发光峰的叠加,能量依次为3.295eV、3.248eV和3.173eV。其中3.295eV一般被指定为自由激子复合发光(FX),3.248eV被指认为施主束缚激子发光(D0X),另外,发光峰3.173eV与D0X 3.248eV的能量间隔为75meV,与1个纵向光学声子参与跃迁的能量间隔(72meV)相近,且该峰的强度远远弱于D0X,因此该峰被指认为施主束缚激子复合的声子伴线发光D0X-LO[24]。
3 结论
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