材料電光轉換特性的創新性綜合實驗設計

張小文 陳國華 許積文 袁昌來

摘 要：基于電致發光設計了《材料物理性能》實驗中電光轉換特性及其評價這一創新性綜合實驗，闡明了材料電學性能與光學性能之間的關聯性，加深了學生對材料電學性能、光學性能以及電光轉換特性知識的系統理解和綜合運用，為培養新世紀光電材料與器件領域中的綜合素質人才提供了參考。

關鍵詞：材料物理性能 電學性能 光學性能 電光轉換

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

《材料物理性能》在材料科學與工程專業中具有傳承基礎、步入專業的核心價值。在光電子技術高速發展和全面普及的今天，材料電學性能、光學性能、以及電光轉換特性實驗毫無疑問在該課程的實踐教學環節中占有舉足輕重的地位。據作者所知，目前出版的有關書籍中和教研論文方面還很少涉及到電光轉換特性方面的實驗，作者在《材料物理性能》課程中作了探索性嘗試。

1 實驗設計

有關材料與器件中的電學性能、光學性能、以及二者之間的相互轉換特性及其應用等方面的理論和工藝，通稱為光電子技術，材料電學性能與光學性能緊密相連、相輔相成。因此，考慮電光轉換特性如轉換效率，驅動電壓、驅動電流、發光光譜、發光亮度、發光色度等需充分考慮材料的綜合性能和器件的結構優化設計。基于此我們提出以多層功能薄膜材料構建電致發光器件來設計材料的電學性能、光學性能、以及二者的轉換特性方面的創新性綜合實驗。具體的實驗設計步驟如下。

（1）電致發光器件設計與機理分析。

電致發光是利用材料的光電功能特性，將電能直接轉換為光能的過程。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光層中復合形成激子并以光能的形式發出，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光層遷移。

③載流子的復合及激子的形成。

空穴和電子在發光層中復合，形成高能量狀態（激發態）的激子。

④發光。

激子經過馳豫、擴散等過程其能量以光子的形式發出。

⑤光子逃離器件。

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

（2）實驗數據記錄與分析。

實驗的電學性能涉及：驅動電壓、驅動電流、以及電功率。實驗的光學性能涉及：發光光譜、發光亮度、發光色度、以及光功率。電光轉換特性重點要考慮電光轉化效率，具體以發光效率（單位電流密度下的亮度）和功率效率（電功率轉換成為光功率的效率），對于材料科學和材料物理方面的科研人員傾向于用發光效率來表達，而材料工程領域的科研人員對功率效率更受關注。對于平面型發光光源（面光源）來說，不同視角下的發光光譜特征符合Lambertian分布，因此發光效率和功率效率之間的換算可以用關系式“功率效率=發光效率*π/驅動電壓”來計算。發光效率和功率效率都與發光光譜視覺靈敏度有關，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用角度出發的，是平板顯示、特殊光源、固態照明等領域中表示效率的常用方法，與物理學中的傳統量子效率表示方法既有聯系又有區別。

將實驗的測試數據記錄于表1中，根據發光光源的面積、驅動電流、電壓、和發光亮度計算出相應的發光效率（cd/A）和功率效率（l m/W）。對于發光光譜的數據記錄，畫出以光波長為橫坐標，以光強度為縱坐標的光譜圖，并確定發光峰值波長，典型的藍光光譜圖如圖2所示。

2 實驗效果與思考

通過電致發光器件實現了材料電學性能、光學性能以及電光轉換特性的表征與評價。還可以繼續思考和理解以下幾個問題加深對知識的系統理解與綜合運用。

（1）分析影響發光光譜、發光亮度和發光色度測試的因素主要有哪些？

（2）如何根據發光光譜計算出發光亮度和色度？

（3）如何根據發光光譜、驅動電壓和電流計算量子效率？

3 結語

通過在《材料物理性能》實驗課程中開設電光轉換特性綜合實驗，使學生深入理解材料電學性能、光學性能、以及電光轉換特性之間的關聯性。同時也增加了學生的學習興趣，將理論知識與實驗實踐緊密結合起來，進一步貼近了實際應用。本文為目前大學本科《材料物理性能》實驗課程的開設和教學模式提供了重要參考價值。

參考文獻

[1] 龍毅.材料物理性能[M].中南大學出版社，2009.

[2] 馬南鋼.材料物理性能綜合實驗[M].機械工業出版社，2010.

[3] 陳國華.功能材料制備與性能實驗教程[M].化學工業出版社，2013.

[4] ZHANG Xiao Wen.Colour tunability of blue top-emitting organic light-emitting devices with single-mode resonance and improved performance by using C60 capping layer and dual emission layer，J.Phys[J].D： Appl. Phys.，2009，42（14）：145106.

[5] 李文連.有機電致發光的效率[J].液晶與顯示，2001，16（2）：120-123.

[6] 鄭冀.材料科學與工程專業平臺課程材料物理性能實驗與研究能力的培養[J].高等工程教育研究，2005（增刊）：45.

[7] 中國科學院吉林物理所，中國科學技術大學《固體發光》編寫組.固體發光[M].中國科學技術大學出版社，1976.