窄帶發射:概念,含Eu紅色窄帶發射的電壓變色有機電致發光,研究背景,材料的選擇及器

窄帶發射是在無線電研究中，窄帶描述了一個信道，該中信息的頻寬不明顯超過信道的相干頻寬。

基本介紹

中文名：窄帶發射
外文名：Narrow band emission
環境：無線電研究
特點：頻寬不明顯超過信道的相干頻寬
學科：物理

概念,含Eu紅色窄帶發射的電壓變色有機電致發光,研究背景,材料的選擇及器件製備,結果及討論,氣體感測一維光子晶體窄帶紅外發射光源,理論分析,數值仿真,研究結論,

概念

（1）窄帶

在有線信道的研究中，窄帶意味著通道足夠窄，它的頻率回響可以被認為是平坦的。因此該信息的頻寬將小於信道的相干頻寬。

（2）窄帶發射

窄帶發射的頻寬窄於參考頻寬。如果調試接收端，調高或調低接收端3dB的頻寬：δV>3dB 為窄帶發射；δV>20dB 為超窄帶發射；δV≈3dB 發射為過渡頻寬。

（3）頻寬測試

如果接受端的頻寬改變為初始頻寬的兩倍，δV<3dB 為窄帶發射；δV≈3dB 發射為過渡頻寬。

含Eu紅色窄帶發射的電壓變色有機電致發光

研究背景

自美國C.W.Tang發表低壓有機電致發光(OEL)論文以來，這一領域的發展非常迅速，但報導的OEL發射光譜多數為寬譜帶(半高寬：100-20nm)，而這些寬頻發射的OEL不能很好地滿足彩色顯示的要求，所以人們想盡辦法追求OEL器件的窄帶發射，其中稀土離子f-f躍遷發射譜帶半寬度很窄(10-20nm)能夠滿足這一要求。日本Kido等人曾報導過高亮度稀土OEL發射，在研究藍稀土有機及高分子配合物的基礎上，一直致力於稀土OEL的研究，並發現了含Tb³⁺綠光的電壓變色OEL發光現象，即在直流驅動下，隨著電壓的升高，其OEL發光發生由藍-白-綠的顏色變化。本研究給出了含Eu³⁺紅光的電壓變色OEL發光現象，這種EL發光現象不但對多色平板顯示器的研製有著重要意義，而且還會幫助人們更加深入地認識稀土OEL發光的機制。

材料的選擇及器件製備

由於Eu-配合物的載流子傳輸性能比較差，所以，我們選擇PVK(聚乙稀咔唑)作為OEL器件的空穴傳輸層(HTL)材料，鋁-8-羥基喹啉(簡稱為Alq)用作發光兼電子傳輸層(ETL)材料，器件選擇為積層式結構。用於本研究的器件結構和化合物分子式示於圖1。器件的大體製備方法如下。先把Eu-配合物與PVK用氯仿製成旋塗液，Eu-配合物占PVK的重量百分比為5%，Eu-配合物經升華提純後塗膜，塗膜時旋轉速率為3000轉/分，時間為30秒，含Eu-配合物的PVK聚合物膜厚度約為150-200nm，Alq及金屬鋁電極薄膜採用真空蒸發法製備，其膜的厚度用膜厚監控儀分別控制為50nm及150nm。

結果及討論

在我們的實驗條件下製得的OEL器件在不同的直流電壓下的發射光譜示於圖2。由圖2可以看出當驅動電壓為10V時，EL發光光譜是來自Eu³⁺f-f電子躍遷的窄帶紅光發射，主要發射峰位於614nm(⁵D₀-⁷F₂躍遷)，當電壓升至15V時，EL發射由615nm紅髮射帶和520nm綠髮射帶迭加而成，發光為黃色，其中的綠髮射帶來自Alq的發射。當電壓升至20V時，光譜帶主要表現為來自Alq的綠髮射(520nm)。發光亮度分別約為9cd/m²，30cd/m²和40cd/m²。當驅動電壓由20V逐漸降到10V，EL發射光則發生由綠到紅的顏色變化。於是在直流驅動下，隨著正向偏壓在10V-20V範圍內的可逆變化就可實現電壓變色OEL發光。

這種電壓變色發光現象可以解釋如下：在低電壓驅動下，從陽極注入的空穴經PVK傳輸到分散在該層的稀土配合物，從陰極注入的電子經Alq層傳輸到PVK層，空穴和電子在稀土配合物中形成單重態激子，然後激子能量被傳遞到中心稀土離子使稀土離子發光。而在高電壓下，從兩極分別注入的空穴和電子在Alq層複合成單位重態激子，它們再次輻射躍遷產生EL發射。在中間電壓的紅色及綠色的雙重發射則是由於注入的空穴和電子在PVK和Alq兩個有機層界面複合的緣故。更詳細的發光機制正在研究中。

氣體感測一維光子晶體窄帶紅外發射光源

基於紅外吸收方法的攜帶型氣體探測器設計裡面關鍵的一項是光源的設計，為了提高靈敏度和防止不同氣體吸收信號之間的干擾，通常需要窄帶光源。在紅外波段，較好的窄譜光源有中紅外LED和量子級聯雷射器，但是它們量子效率低、功率不高且價格昂貴，特別是量子級聯雷射器。因此傳統的黑體和白熾燈絲等寬譜光源仍然是最常用的紅外光源。採用寬譜紅外光源一般需要濾光片來獲得窄帶光，如果直接製作窄帶紅外光源則不需要額外的濾光片，可以簡化系統結構設計，降低器件成本，因此有必要研究窄帶紅外發射光源。

研究發現，通過在熱輻射物體表面製作微結構，可以改變物體的熱輻射特性，使得某些波段輻射增強而其它的波段輻射被抑制，從而得到窄帶準相干熱輻射源。Yeh等從理論上在禁帶區域，有限一維光子晶體的截斷表面能在很窄光譜範圍內激發表面電磁波。當有限一維光子晶體的截斷面鍍上金屬層後，金屬層中的自由電子與外部電磁場共振，這種表面電磁波可以直接由空氣中的傳播光直接激發而不需要額外的衰減全反射附屬檔案(ATR)，使得基於這種原理的窄帶紅外發射光源成為可能。

研究基於有限一維光子晶體表面電磁波理論，以探測CO₂為例，設計了一個中心波長為λ₀=4.23μm，發射率大於99%，發射譜線半高寬FWHM=49.9nm的窄帶紅外熱輻射光源。對這種熱輻射光源的能帶結構和發射譜特性進行了理論分析，並採用時域有限差分(FDTD)方法進行數值仿真，仿真結果與理論推導的結果相互吻合，證明了這種窄帶紅外發射光源的可行性。

理論分析

這種窄帶紅外熱發射光源的基本結構如圖1所示，它是由有限一維光子晶體和金層構成。這種結構可以採用薄膜光學中的表示方法簡單表示為：M(HL)₄，其中M為金，H和L分別為高低折射率的介質材料。當寬譜光入射時，在有些光譜範圍內，光子晶體截斷層和金屬接觸面會激發表面波，光能被轉化為熱能損耗。根據基爾霍夫熱輻射定律，如果加熱這個物體，這個物體也會發射出與吸收譜完全一樣的窄帶發射光譜。研究採用傳輸矩陣方法分析了器件的能帶結構和色散關係，計算出這種器件的反射譜，然後根據基爾霍夫熱輻射定律間接推導出熱輻射特性。

這種類型的窄帶紅外發射光源的發射特性與一維光子晶體和金層接觸面上的表面波有很大關係。表面波的產生和強度受光子晶體的周期數影響很大，而且有最優的周期使得器件的發射率和譜線寬度達到最優值。相對電場強度變化規律與發射率的變化規律一致，而電場強弱直接反映表面波的強弱，由此可以看出表面波的強度越強，金層吸收的能量越多，發射率越高。

數值仿真

為了驗證上述理論分析的準確性和更加深刻地理解這種窄帶發射的物理機制，這裡採用時域有限差分(FDTD)仿真窄帶發射光源的光譜特性和穩態電場分布情況。圖3為FDTD計算得到的這種結構的反射率曲線，和圖2比較可以看出，採用FDTD仿真的結果和用傳輸矩陣計算得到的結果吻合，因此證明了這種設計的可行性。圖4中的(a)和(b)分別為光源在反射率最小和最大時的穩態電場分布，下面的曲線表示相對電場強度的變化。從光與物質相互作用的角度，光能量的損耗是由於物質的介電常數虛部引起的。在模型中，介質材料Si和SiO₂均被認為是透明材料，介電常數虛部為零，只有金的介電常數虛部不為零，因此能量的損耗肯定是在金層裡面發生的，從穩態電場分布圖4(a)和圖4(b)中充分驗證了這樣的猜想。在圖4(a)中，電場最大值的位置在和金層接觸的位置附近，而且出現諧振現象，電場強度大幅增加，光能量的損耗也增加；而圖4(b)則正好相反，光能量在沒有達到金層之前幾乎全部都反射出去，所以光能量損耗很小。

研究結論

研究基於一維光子晶體表面電磁波理論，設計了一種類型的窄帶紅外發射光源。針對攜帶型氣體探測器件的需要，以探測CO₂為例，設計了一個中心波長為λ₀=4.23μm，發射率大於99%，發射譜線半高寬FWHM=49.9nm的窄帶紅外發射光源。對一維光子晶體的能帶結構，光源的發射譜特性和發射譜與周期數的關係進行了理論分析，並採用時域有限差分方法進行數值仿真，數值仿真的結果和理論分析的結果吻合，因此驗證了這種設計的可行性。此外，通過FDTD方法對穩態電場分布仿真，對產生這種窄帶發射的物理機制有了更加直觀的認識。該窄帶紅外發射光源的設計方法非常靈活，通過設計不同的光子晶體結構和最佳化設計可以方便地把中心波長移到別的位置，這樣大大增加了這類器件的套用範圍，彌補了雷射器受材料限制而覆蓋譜段有限的缺點。這種窄帶準單色光源在單色性要求不高、強度不需要很大的場合，有望作為雷射光源的補充，成為一種在很寬譜段範圍可調的窄帶光源，從而得到廣泛的套用。

窄帶發射