材料电光转换特性的创新性综合实验设计

摘 要：基于电致发光设计了《材料物理性能》实验中电光转换特性及其评价这一创新性综合实验，阐明了材料电学性能与光学性能之间的关联性，加深了学生对材料电学性能、光学性能以及电光转换特性知识的系统理解和综合运用，为培养新世纪光电材料与器件领域中的综合素质人才提供了参考。

关键词：材料物理性能 电学性能 光学性能 电光转换

中图分类号：G642.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（b）-0083-02

《材料物理性能》在材料科学与工程专业中具有传承基础、步入专业的核心价值。在光电子技术高速发展和全面普及的今天，材料电学性能、光学性能、以及电光转换特性实验毫无疑问在该课程的实践教学环节中占有举足轻重的地位。据作者所知，目前出版的有关书籍中和教研论文方面还很少涉及到电光转换特性方面的实验，作者在《材料物理性能》课程中作了探索性尝试。

1 实验设计

有关材料与器件中的电学性能、光学性能、以及二者之间的相互转换特性及其应用等方面的理论和工艺，通称为光电子技术，材料电学性能与光学性能紧密相连、相辅相成。因此，考虑电光转换特性如转换效率，驱动电压、驱动电流、发光光谱、发光亮度、发光色度等需充分考虑材料的综合性能和器件的结构优化设计。基于此我们提出以多层功能薄膜材料构建电致发光器件来设计材料的电学性能、光学性能、以及二者的转换特性方面的创新性综合实验。具体的实验设计步骤如下。

（1）电致发光器件设计与机理分析。

电致发光是利用材料的光电功能特性，将电能直接转换为光能的过程。其基本工作原理是从阳极注入的空穴和从阴极注入的电子在发光层中复合形成激子并以光能的形式发出，基本过程大致可以分为以下五个阶段。

①载流子的注入。

电致发光器件在外加电场的作用下，空穴和电子分别从阳极和阴极注入到相应的空穴传输层和电子传输层。

②载流子的传输。

空穴和电子分别从空穴传输层和电子传输层中移动并向发光层迁移。

③载流子的复合及激子的形成。

空穴和电子在发光层中复合，形成高能量状态（激发态）的激子。

④发光。

激子经过驰豫、扩散等过程其能量以光子的形式发出。

⑤光子逃离器件。

光子穿过薄膜材料及透明电极发射出去。由于薄膜材料和透明导电电极本身的吸收和反射，光能要受到很大的损失。

（2）实验数据记录与分析。

实验的电学性能涉及：驱动电压、驱动电流、以及电功率。实验的光学性能涉及：发光光谱、发光亮度、发光色度、以及光功率。电光转换特性重点要考虑电光转化效率，具体以发光效率（单位电流密度下的亮度）和功率效率（电功率转换成为光功率的效率），对于材料科学和材料物理方面的科研人员倾向于用发光效率来表达，而材料工程领域的科研人员对功率效率更受关注。对于平面型发光光源（面光源）来说，不同视角下的发光光谱特征符合Lambertian分布，因此发光效率和功率效率之间的换算可以用关系式“功率效率=发光效率*π/驱动电压”来计算。发光效率和功率效率都与发光光谱视觉灵敏度有关，光谱峰值位置不同，这两个值有很大的差异。这两种表示效率的方法都是从实用角度出发的，是平板显示、特殊光源、固态照明等领域中表示效率的常用方法，与物理学中的传统量子效率表示方法既有联系又有区别。

将实验的测试数据记录于表1中，根据发光光源的面积、驱动电流、电压、和发光亮度计算出相应的发光效率（cd/A）和功率效率（l m/W）。对于发光光谱的数据记录，画出以光波长为横坐标，以光强度为纵坐标的光谱图，并确定发光峰值波长，典型的蓝光光谱图如图2所示。

2 实验效果与思考

通过电致发光器件实现了材料电学性能、光学性能以及电光转换特性的表征与评价。还可以继续思考和理解以下几个问题加深对知识的系统理解与综合运用。

（1）分析影响发光光谱、发光亮度和发光色度测试的因素主要有哪些？

（2）如何根据发光光谱计算出发光亮度和色度？

（3）如何根据发光光谱、驱动电压和电流计算量子效率？

3 结语

通过在《材料物理性能》实验课程中开设电光转换特性综合实验，使学生深入理解材料电学性能、光学性能、以及电光转换特性之间的关联性。同时也增加了学生的学习兴趣，将理论知识与实验实践紧密结合起来，进一步贴近了实际应用。本文为目前大学本科《材料物理性能》实验课程的开设和教学模式提供了重要参考价值。

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