光致熒光發(fā)光光譜(PL)分析

作者：admin2024-10-25 09:19 熱度：294

光致熒光發(fā)光光譜（Photoluminescence Spectroscopy，簡稱PL譜）分析是一種重要的光學(xué)分析方法，以下是對其的詳細(xì)解析：

一、基本原理

光致熒光發(fā)光是物質(zhì)在光的激勵下，電子從價帶躍遷至導(dǎo)帶并在價帶留下空穴；電子和空穴在各自的導(dǎo)帶和價帶中通過弛豫達(dá)到各自未被占據(jù)的最低激發(fā)態(tài)（在本征半導(dǎo)體中即導(dǎo)帶底和價帶頂），成為準(zhǔn)平衡態(tài)；準(zhǔn)平衡態(tài)下的電子和空穴再通過復(fù)合發(fā)光，形成不同波長光的強(qiáng)度或能量分布的光譜圖。這一過程可以描述為物質(zhì)吸收光子躍遷到較高能級的激發(fā)態(tài)后返回低能態(tài)，同時放出光子的過程。它大致經(jīng)過吸收、能量傳遞及光發(fā)射三個主要階段。

二、特點

設(shè)備簡單：光致發(fā)光光譜分析通常使用相對簡單的設(shè)備，如激光器、光譜儀等。
無破壞性：在激發(fā)光能量不是非常大的情況下，PL測試是一種無損的測試方法，可以快速、便捷地表征材料的性能。
分辨率高：光致發(fā)光光譜分析具有高分辨率，能夠探測到材料中的微小變化。
局限性：通常只能做定性分析，而不作定量分析；如果做低溫測試，需要液氦降溫，條件比較苛刻；不能反映出非輻射復(fù)合的深能級缺陷中心。

三、應(yīng)用范圍

半導(dǎo)體材料：用于分析半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)、缺陷和雜質(zhì)等，如硅、砷化鎵、氮化鎵等。
納米材料：研究量子點、納米線和納米顆粒的光學(xué)特性。
有機(jī)材料：分析有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）材料的發(fā)光性能。
生物材料：用于生物標(biāo)記物和熒光探針的發(fā)光特性研究，如通過熒光標(biāo)記法來演示染色體分裂過程等生物現(xiàn)象。
光伏材料：評估太陽能電池材料的能量轉(zhuǎn)換效率和缺陷。
環(huán)境檢測：用于污染物的光學(xué)傳感和檢測。

四、檢測方法

連續(xù)激發(fā)法：使用連續(xù)光源（如氙燈）照射樣品，測量其穩(wěn)態(tài)PL光譜。
脈沖激發(fā)法：使用脈沖光源（如脈沖激光器）照射樣品，測量其時間分辨PL光譜。

根據(jù)樣品的形態(tài)，可以采用不同的測量方式：

固體樣品：可以直接放置在樣品臺上進(jìn)行測量。
液體樣品：可以使用比色皿或毛細(xì)管盛放后進(jìn)行測量。
薄膜樣品：可以將其沉積在基底上進(jìn)行測量。
粉末樣品：可以將其壓制成片狀或填充在樣品池中進(jìn)行測量。

五、儀器種類

光致發(fā)光光譜（PL）檢測儀器種類繁多，根據(jù)激發(fā)光源、光譜探測器和應(yīng)用場景的不同，可以分為以下幾類：

激光器激發(fā)：單色性好、功率高、方向性強(qiáng)，適合微區(qū)分析和高分辨率光譜測量。常用激光器有He-Cd激光器、Ar離子激光器、半導(dǎo)體激光器、倍頻激光器等。
氙燈光源激發(fā)：光譜范圍廣、價格相對便宜，適合常規(guī)的PL測量。但單色性不如激光器，光功率較低。
其他光源：例如汞燈、LED光源等，可根據(jù)具體應(yīng)用選擇。
光電倍增管（PMT）：靈敏度高、響應(yīng)速度快、價格相對便宜，但光譜響應(yīng)范圍有限，需要配合單色儀使用。
電荷耦合器件（CCD）：可以同時探測多個波長的光信號，采集速度快、靈敏度高，但價格相對昂貴。
光電二極管陣列（PDA）：類似于CCD，可以同時探測多個波長的光信號，但價格相對便宜，靈敏度和分辨率不如CCD。
穩(wěn)態(tài)PL光譜儀：用于測量樣品在恒定激發(fā)光照射下的發(fā)光光譜。
時間分辨PL光譜儀：用于測量樣品在脈沖激發(fā)光照射下的發(fā)光衰減曲線，可以獲取樣品的激發(fā)態(tài)壽命信息。
顯微PL光譜儀：結(jié)合了光學(xué)顯微鏡和PL光譜儀，可以對微區(qū)樣品進(jìn)行PL光譜測量，空間分辨率可達(dá)微米級別。