众所周知, 柔性信息显示将在未来的光电应用中发挥重要作用。然而, 由于电极材料和柔性衬底的选择有限, 制备高效、稳定的柔性发光二极管仍然存在巨大的挑战。以光聚合物作为柔性衬底、CsPbBr3量子点作为发光层, 成功地制备了柔性钙钛矿发光二极管。为了改善电子的注入和传输, 采用Ag作阴极。结果表明, 高柔性的钙钛矿发光二极管的最高亮度为10 325 cd/m2且具有高色纯度(FWHM=19 nm)。此外, 制备的钙钛矿发光二极管具有良好的柔性和机械延展性。在大约180°的弯曲角度下反复弯曲100次后, 仍然保持着良好的器件性能。该研究为未来柔性显示器的应用奠定了研究基础。

采用高温熔融法制备百分比为(100-x)(23.6Al2O3-53CaO-7.7BaO-2.1Na2O-10.3Ga2O3-3.1B2O-0.2Er2O3)-xYb2O3(x=0,0.9,1.9,2.8,3.6,4.5)的铝酸盐玻璃。应用差示扫描量热法、吸收光谱、荧光光谱、红外光谱以及拉曼光谱等检测手段, 系统研究了不同Yb3+离子引入量对玻璃的物性、热稳定性、Er3+离子光谱性质和结构的影响。结果表明,Yb2O3含量越高, 玻璃的密度和折射率越大, 抗析晶能力有所增强。随着Yb2O3的增加, 玻璃在976 nm吸收系数增大, 对应于Er3+离子的2H11/2→4I15/2、4S3/2→4I15/2以及4F9/2→4I15/2跃迁的527, 549, 666 nm的上转换发光、红光与绿光发光强度比以及对应于4I13/2→4I15/2的1.53 μm近红外荧光强度明显增加。当Yb2O3浓度为3.6%时, 铝酸盐玻璃样品在近红外1.53 μm荧光最强, 此时Yb3+→Er3+正向能量传递效率η1最大, 约为82.9 %。该系列铝酸盐玻璃中Er3+离子1.53 μm最大发射截面为0.77×10-20 cm2, 荧光半高宽最大值为39.4 nm, 荧光寿命最大值为4.46 ms。

二维纳米阵列结构因其重要的光学性能被广泛应用于各类光电子器件。本文对自组装单层SiO2纳米球掩模刻蚀法制备GaAs纳米柱二维阵列结构的关键工艺技术进行了研究。采用旋涂法在GaAs表面制备自组装单层SiO2纳米球, 重点研究了GaAs表面氧等离子体亲水处理工艺对纳米球排列特性的影响, 获得最佳工艺条件为功率配比100 W+80 W、腔室压力4 Pa、氧气流量20 mL/min、处理时间1 200 s, 并最终得到排列紧密的大面积单层纳米球薄膜。以单层纳米球为掩模, 采用感应耦合等离子体刻蚀技术在GaAs表面制备了纳米柱阵列并测试了其表面光反射谱。测试结果表明,GaAs纳米柱阵列在特定波段的反射率降低至5%, 远低于表面无纳米结构的薄膜材料表面高达40%的光反射。分析表明纳米柱可以激发米氏散射共振效应, 从而有效降低反射率并提升光吸收。

采用水热法制备了NaGd(WO4)2 (NGW)∶Yb3+,Ho3+,Cr3+微米晶。研究了Cr3+离子掺杂浓度对样品的晶体结构、微观形貌、上转换发光及温度传感特性的影响。在980 nm激光激发下, 所有样品均发射以546 nm为中心的较弱绿光和以660 nm为中心的强红光, 分别对应于Ho3+离子的5F4,5S2→5I8和5F5→5I8能级跃迁。随Cr3+离子掺杂量增加, 绿光发射峰强度逐渐减弱, 而红光发射先增大后减小, 在10%时达到最大, 样品色坐标逐渐向红色区域偏移。样品的变温光谱表明, NGW∶Yb3+,Ho3+,10%Cr3+微米晶具有很好的温度特性, 其测温灵敏度在486 K时达到最大, 约为0.033 7 K-1, 比NGW∶Yb3+,Ho3+的灵敏度提高近1倍。

采用高温固相反应法合成了不同Tb3+掺杂浓度的CaLuBO4∶xTb3+荧光粉, 研究了样品的晶体结构和发光性质。在紫外光激发下, 样品的发射光谱由Tb3+离子的5D3→7FJ (J=6, 5, 4)和5D4→7FJ′ (J′=6, 5, 4, 3)特征发射组成, 其中位于545 nm和554 nm 附近的5D4→7F5跃迁发射强度最大。荧光粉的激发光谱是由位于紫外区的Tb3+的4f-5d 和f-f 跃迁构成的。研究了Tb3+浓度对样品发光性质的影响。测量并分析了CaLuBO4∶xTb3+荧光粉的5D3能级和5D4能级荧光寿命。结果表明, CaLuBO4∶xTb3+是一种适于紫外激发的新型黄绿光荧光粉。

通过Li+/La3+同比例共掺杂策略, 在氢气气氛下烧结制备了Li0.06La0.06Ba0.84Si2O5∶4%Eu2+ (LLBSO∶Eu2+)高效绿色发光荧光粉。相比于未掺杂样品Ba0.96Si2O5∶4%Eu2+ (BSO∶Eu2+), Li+/La3+共掺有助于单一相LLBSO∶Eu2+荧光粉的合成, 能有效降低烧结的温度和缩短合成时间。我们发现该策略节约荧光粉合成成本的同时, 也可以显著提高其光学性能。相关测试表明, Li+/La3+共掺杂样品平均颗粒尺寸主要分布在1.1~2.7 μm, 颗粒团聚现象不明显, 符合涂覆LED芯片要求。该样品可以有效地被365 nm近紫外LED芯片激发, 产生位于502 nm的强的宽带绿光发射, 其归属于Eu2+的5d-4f跃迁, 发光强度是未掺杂样品的168%。此外, LLBSO∶Eu2+荧光粉在150 ℃时发光强度仍保持在室温时的98%左右, 具有良好的热稳定性。该样品CIE坐标位于绿光区(0.217, 0.410)。通过绿粉/红粉和绿粉/红粉/蓝粉混粉策略, 制得了色温为2 918~4 037 K的白色发光LED, 其显色指数(Ra)均大于85, 具有良好的热稳定性。实验结果表明, Li+/La3+共掺单一相的BSO∶Eu2+绿色发光荧光粉是制备近紫外激发白光发射LED的优良候选荧光粉材料。

为获得高质量的β-Ga2O3薄膜, 将c面蓝宝石上生长的GaN薄膜进行高温氧化制成了Ga2O3/GaN/蓝宝石模板, 进而在模板上利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺进行了β-Ga2O3薄膜的同质外延。通过X射线衍射仪、原子力显微镜、场发射扫描电子显微镜等方法对样品的晶体结构、表面形貌等性质进行测试与分析。结果表明, 该方法获得的β-Ga2O3薄膜晶体质量受GaN薄膜氧化效果与MOCVD工艺条件等因素影响较大。通过优化实验条件, 得到了质量较高的β-Ga2O3薄膜。与蓝宝石上或GaN薄膜上异质外延得到的β-Ga2O3薄膜相比, 薄膜的晶体质量明显提高。通过对比不同样品的晶体质量、表面形貌和制备过程, 发现该方法成功地将β-Ga2O3薄膜在蓝宝石衬底或GaN/蓝宝石模板上异质外延转化为了Ga2O3/GaN/蓝宝石模板上的同质外延, 有效地减小了β-Ga2O3薄膜和蓝宝石、GaN之间较大的晶格失配和热失配, 有利于提高β-Ga2O3薄膜的晶体质量。

染料敏化剂是染料敏化太阳能电池中关键的光电转换材料, 其受光激发后, 电子由低能级基态跃迁到高能级激发态从而产生有效的电势差。设计和筛选优异性能的染料敏化剂有利于提升其光电转化效率。本文以相关实验研究为背景, 设计了一系列具有不同桥位基团的四硫富瓦烯(TTF)类纯有机染料敏化剂, 利用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)对其光电转化及分子内电子转移特性进行了系统研究, 通过比较筛选出了高性能的四硫富瓦烯类染料敏化剂。研究结果表明, 以环戊联噻吩及其衍生物作为桥位基团的四硫富瓦类染料敏化剂的整体性能更佳, 主要表现在较好的电荷分离态、拓宽的光谱吸收范围、提升的光捕获效率以及增强的分子内电子转移(IET)性能等。

石墨烯纳米剪裁先进方法的研究对于基于石墨烯的电子和光学设备非常重要。本文利用模板法制作反蛋白石结构, 并借助反蛋白石纳米网结构, 利用光催化还原氧化石墨烯,对氧化石墨烯进行纳米剪裁, 形成具有纳米尺度的石墨烯。对还原后的氧化石墨烯表面进行扫描电子显微镜表征和红外光谱表征, 并研究剪裁后石墨烯的电学性质。实验表明, 反应时间、胶粒大小都会对剪裁后氧化石墨烯的周期和颈宽有影响, 进而影响还原后氧化石墨烯的电学性质。利用纳米网状结构对石墨烯进行纳米剪裁是一种可行的方法, 通过控制模板尺寸和反应条件可以控制裁剪后的性质。

首次采用氧化石墨烯可饱和吸收体作为锁模启动元件在Tm,Ho∶CaYAlO4激光器中实现了稳定的被动调Q锁模运转。在3%输出耦合镜下, Tm,Ho∶CaYAlO4固体激光器获得了最低为293 mW的连续光出光阈值。在腔内引入氧化石墨烯可饱和吸收体后, 当吸收抽运功率增大到1 859 mW时, Tm,Ho∶CaYAlO4激光器进入稳定的调Q锁模运转状态。当抽运功率达到3 W时, 获得中心波长为2 089 nm、斜效率为10.1%、对应最大输出功率为213 mW的被动调Q锁模脉冲, 重复频率为100 MHz, 调Q包络中锁模脉冲的调制深度接近100%。

在铝基板上贴片了不同间距的四颗芯片级封装发光二级管(CSP-LED)模组, 测试了不同贴片间距CSP-LED模组的EL光谱、流明效率、光通量、相关色温等光电参数。结果显示, 在小电流(20~400 mA)下, 随着注入电流的增大, 不同排布间距的蓝、白光样品的光电性能基本呈现相同的变化规律,即光通量、光功率呈线性增长, 光效基本保持稳定; 在大电流(1~1.5 A)下, 随着芯片间排布间距减小, EL光谱积分强度降低, 色温升高, 红色比下降, 排布间距为0.2 mm的光通量衰减了84.58%, 相比之下排布间距为3 mm和5 mm的光通量衰减明显减缓, 分别为8.96%和3.58%, 这些现象与禁带宽度、热应力、非辐射复合等因素有关。结果表明, CSP白光LED光通量衰减主要是荧光粉退化导致的, 考虑到实际生产成本问题, 排布间距为3 mm时, 有利于热量散出, 进而提高LED光电性能特性及其自身的使用寿命。

有机光敏晶体管是一种在有机场效应管结构中引入光控“栅极”的新型光探测器件, 其光灵敏度、光响应度性能参数与源/漏电极和有源层的接触情况关系密切。本文通过真空蒸发法分别制备了采用金电极和铝电极的单层并五苯及酞菁铜有机光敏晶体管。研究了它们在黑暗和光照条件下的输出及转移特性。结果表明, 高迁移率的并五苯有源层更适合搭配接触特性较好的金电极, 该器件具有和铝电极器件相同高水平的光灵敏度~3×104, 但其光响应度是铝电极器件的13倍; 而低迁移率的酞菁铜薄膜较适合搭配能够和有源层形成肖特基接触的铝电极, 有利于抑制暗电流、增强激子解离效率、提高光电流, 进一步使器件在获得和金电极器件同数量级光响应度的同时, 其光灵敏度是金电极器件的102倍。本文对光照下电极/有源层肖特基接触的能带变化做了理论分析, 总结归纳了有机光敏晶体管电极材料和有源层材料的初步筛选规律。

为了对比研究新型低色温无荧光粉LED光源和低色温荧光粉LED光源的可靠性, 本文进行了85 ℃加速老化和温度步进应力实验, 测试了各光电参数在老化过程中的变化规律, 并分析了有无荧光粉低色温光源的老化衰减机理。实验结果表明, 在20 A/cm2工作电流密度、85 ℃的加速老化条件下, 两种类型的光源都表现出很好的稳定性, 但随着功率的增加, 无荧光粉光源展现出更好的光通量稳定性; 随着温度的升高, 无荧光粉光源在高达200 ℃左右仍表现出良好的可靠性, 而荧光粉光源则在175 ℃后出现了明显的光通量衰减和色温升高。电流应力或温度应力提升以后, 无荧光粉光源展现出更优异的可靠性。

以天然生物质去皮的蓖麻为碳源, 采用一步水热法合成了荧光性能优良的绿色荧光蓖麻碳量子点(CO-CQDs), 对其形貌和发光性能进行了表征。通过将该CO-CQDs与荧光极强的卤代荧光素染料曙红Y(EY)复合, 二者可形成荧光发射峰相距较远的新型CO-CQDs/EY复合物。在pH=4.00的Na2HPO4-柠檬酸缓冲溶液中, 在320 nm的激发波长下, CO-CQDs/EY复合物于405 nm和540 nm处显示出两个独立的荧光发射峰。在该体系中加入Cr(Ⅵ), 405 nm和540 nm两处的荧光信号均显著猝灭。L-抗坏血酸(L-ascorbic acid,AA)的加入可使复合物于540 nm的荧光信号恢复, 而405 nm处的荧光强度基本不变。据此建立了一种以CO-CQDs/EY复合物为比率型荧光探针测定AA的新方法。实验测定了荧光信号恢复的最佳条件和影响荧光恢复的因素, 初步探讨了反应机理。在优化的实验条件下, 该探针于540 nm/405 nm两处的荧光强度比值与AA的浓度在5.0×10-8~4.0×10-6 mol/L范围内呈良好线性关系, 检出限为3.7×10-8 mol/L。该探针用于检测药物、水果和蔬菜中AA的含量, 结果满意。

针对现有植物工厂采用的植物培养架照度、混色均匀度差导致农产品作物品质参差不齐的现状, 提出一种高混光、高混色均匀度的植物培养架设计方案。不同于光源在上种植面在下的培养架设计模式, 将红、蓝LED灯珠间隔排列阵列光源安装在植物种植平面上的凸台上, 并把培养架顶部设计成漫反射面。漫反射面的引入起到增加混光距离的作用, 提高光线耦合程度, 从而达到了提高混光、混色均匀度的效果。进一步引入光量子通量密度均匀度以及混色均匀度共同作为考察指标, 利用Taguchi方法设计并进行实验, 研究不同因子对植物种植区光源均匀性的影响, 再利用ANOVA理论分析了各因子对品质的影响程度多次优化后, 最终获得照度均匀度为94.58%、混色均匀度为90%、能量利用率为41.42%的最优系统设计方案。然后研究了不同配光曲线的灯珠对培养架均匀度的影响, 最后通过测量植物在不同高度时种植面和植物表面的照度及光谱的分布情况检测植物的生长是否会遮挡光线。结果表明该植物照明系统可以在植物生长过程中提供均匀的照明, 遮挡问题几乎可以忽略不计。