熒光量子產率原理及應用

量子點：

（Quantum dot，QD）又稱半導體納米晶，是導帶電子、價帶空穴及激子在三個空間方向上受束縛的半導體納米結構，其三維尺寸通常在2-10nm范圍內，呈近似球形，市場上使用的量子點材料多為核殼結構。

量子點材料：

分為元素半導體量子點、化合物半導體量子點、異質結量子點，常見的量子點由IV A、ⅡB-ⅥA、ⅢA-ⅤA或者ⅣA-ⅥA, 族元素組成，如Si,Ge,CdSe,CdTe, CdS, ZnSe,ZnS,InP,InAs,PbS, PbSe 等半導體材料。

量子點發光原理

量子點能把電子鎖定在非常微小的三維空間內，電子運動受到限制，對其施加一定的電場或光照會發出特定頻率的光，發光頻率隨著顆粒尺寸的改變而變化，通過調節量子點的尺寸可以控制其發光的顏色。

Figure 1不同尺寸CdSe量子點在光照射下的顏色及吸收和發射光譜

量子點背光源技術（QD LCD）：

是一種光致發光技術，利用量子點的發光特性，通過綠色、紅色量子點將藍色LED光轉化為高飽和度的綠光和紅光，并同其余未被轉換的藍光混合得到白光等各種顏色，在屏幕上顯示寬廣色域的顏色。

量子點發光二極管顯示技術（QLED）

QLED全稱是“Quantum Dot light Emitting Diode”，即量子點發光二極管，又名量子屏顯示技術，其原理是是將量子點層臵于電子傳輸和空穴傳輸有機材料層之間，外加電場使電子和空穴移動到量子點層中，電子和空穴在這里被捕獲到量子點層并且重組，從而發射光子。通過將紅色量子點、綠色量子點和藍光熒光體封裝在一個二極管內，實現直接發射出白光。

量子點的光學特性

激發光譜寬：應用單一波長的激發光可激發多種量子點，使量子點達到激發態的光譜范圍較寬，傳統有機染料熒光分子激光譜較窄，須用合適能量的光來激發。

發射光譜窄：量子點發射光譜范圍較窄且對稱，不易重疊，可以使用小于其發射波長10nm的任意波長的光進行激發

發射波長可調：

熒光效率高、穩定、壽命長：熒光強度高，穩定性好，抗漂白能力強，可經受反復多次激發而不易發生熒光猝滅。可以對標記的物體進行長時間的觀察，可用于研究細胞中生物分子之間長期相互作用。

生物兼容性好：經過各種化學修飾之后可以進行特異性連接，對生物大分子標本的活性無傷害。

應用

生物醫學：量子點檢測試劑通過結合抗原抗體反應的特異性與量子點熒光的敏感性，可以對抗體或抗原進行定性、定位或定量檢測，提供改進的體內和體外生物學成像。

熒光標記（熒光探針）

活體/細胞成像：追蹤藥物的療效，實時監測藥物的作用機制，病理組織標本的檢測以及疾病的診斷, 多種抗原的同時檢測, 簡化檢測過程,縮短檢測時間

新能源：

太陽能電池：量子點作為窄帶隙材料，可大幅提高光能利用率，增加太陽能電池的轉化效率。

光催化：

光電顯示：

量子點器件

量子點顯示（QD、LCD，QLED）

光譜儀用于量子點發光表征

紫外可見吸收譜

光致發光譜（PL）

光致發光量子產率（QY）

電致發光譜（EL）

輻照度/亮度/色度

電致發光量子效率(EQE)

海洋方案

紫外-可見吸收譜

配置：

光譜儀(FLAME,MAYA,QE 系列等）

氘鹵燈光源（DH系列，DT-MINI）

比色皿支架（CUV-UV,CUV-ALL-UV）

光纖（QP400-025-SR）

軟件（OCEANVIEW）

光致發光譜（PL譜）

指物質在光的激勵下，電子從價帶躍遷至導帶并在價帶留下空穴；電子和空穴在各自的導帶和價帶中通過弛豫達到各自未被占據的低激發態（在本征半導體中即導帶底和價帶頂），成為準平衡態；準平衡態下的電子和空穴再通過復合發光，形成不同波長光的強度或能量分布的光譜圖。光致發光過程包括熒光發光和磷光發光。

配置：

光譜儀(FLAME,MAYA,QE, NIRQUEST系列）

單色光源（LED ,Laser, 氙燈+單色儀 ）

比色皿支架（CUV-ALL-UV）

濾光片（LFV長通/低通濾光片）

光纖（QP400-025-SR）

軟件（OCEANVIEW）

光致發光量子產率（QY） 

用于表證樣品的發光效率，即測量樣品有效利用吸收光的效率，數學上表示為發射光子數和吸收光子數的比值。

測量樣品的量子產率有兩種方法：

相對量子產率測量：需要一種已知量子產率的標準品作為參照，通過對標準物和樣品進行吸光度和熒光的測量換算得到樣品的量子產率。只適用于液體樣品。

量子產率測量：不需要 標準樣品進行對比，廣泛適用于液體、薄膜和粉末樣品。在進行測量時需要積分球附件；積分球內表面涂層一般是高反射性材料，比如硫酸鋇和聚四氟乙烯。樣品表面各個方向的激發光或者是發射光進行積分球均勻化后從出射口出來，并進入到單色器中后被檢測器檢測到。

配置：

光譜儀(FLAME,MAYA,QE, NIRQUEST系列）

單色光源（LED ,Laser, XE+單色儀 ）

比色皿支架（CUV-ALL-UV）

濾光片（LFV長通/低通濾光片）

光纖（QP400-025-SR）

軟件（OCEANVIEW）

電致發光譜（量子點器件EL譜）

配置：

光譜儀(FLAME,MAYA,QE系列）

積分球/CC-3（FOIS-1/大積分球）

光纖（QP系列）

標準光源（HL-3P-INT-CAL/大積分球）

源表（Keithley）

EL/PL量子點器件輻照度/亮度，色度[2]

檢測參數：

色坐標：CIE XYZ,L*a*b*,xyz, uv, u'v’w’

色溫CCT&顯色指數CRI

光度量（Lum, Lux, Candela）

亮度

光功率

配置同EL&PL

電致發光量子效率

配置：

QEPRO光譜儀,積分球，

Keithley 源表，

LED光源/HPX2000-HP+MONOSCAN單色儀，

光纖

量子效率軟件

海洋方案優勢：

設備操作簡單，無需經常校準

微型光譜儀體積小巧，易于搬運

測試系統可以實現原位測試，測試時樣品無需取出手套箱

解決方案完善，可提供參考方案：

可參考文獻：

[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