[发明专利]一种电致发光器件工况原位分析系统及分析方法

说明书

本发明公开了一种电致发光器件工况原位分析系统及分析方法，其中，系统包括激发光路部分、电激发源部分、收集光路部分、信号探测和解析部分、频率调制和同步部分，以及仪器机械控制部分。本发明的系统是多模式、多维度、多尺度的，将多种先进光谱学测试、锁相放大技术、半导体器件电学测试、自动化二维位移系统、显微镜系统与仪器控制系统等有机结合，有助于直接揭示器件的能量损失途径、单分子层面工作机制与器件老化机制，并指导未来材料化学和器件结构创新。

技术领域

本发明属于光电测量仪器技术领域，尤其是涉及一种电致发光器件工况原位分析系统及分析方法。

背景技术

发光二极管(LED)是新型显示和固态照明两大产业的核心元器件。其中，利用溶液工艺制程的OLED、量子点LED(QLED)与钙钛矿LED(PeLED)等新型溶液法LED正经历着迅猛发展，并且逐渐从实验室走向产业界。

充分理解器件在工作过程中内部的基本物理、化学过程，并揭示器件能量损失机制和工作老化机制，对于指导发展高效率、长寿命的新型溶液法LED器件至关重要。因此，使用原位光谱学测量与分析技术，对工作状况下的器件“把脉问诊”，逐渐成为新型溶液法LED研究领域的必须手段。

目前国际上对LED器件光电表征仪器主要有两类。第一类是以实用性能为导向，对LED器件电致发光效率、电致发光亮度、电致发光角度分布和电致发光工作寿命等进行的测试，包括积分球光通量测试系统、测角仪和LED寿命测试系统等。这类表征仪器主要用于对LED产品的使用性能进行评估，而无法揭示新型LED的基本物理、化学过程。

第二类光电表征是以基础科学研究为导向，对LED器件的电学性能、光致发光性质、光吸收性质等进行测量，从而揭示出器件内在的物理和化学过程。2013年，美国MIT的Bawendi课题组率先实现了对工作状态下QLED器件中量子点层相对光致发光强度的测试，用以说明电场对量子点中光致激发态的淬灭作用。同年，美国Los Alamos国家实验室的Klimov课题组将瞬态光致发光测试应用在未开启的QLED器件上，揭示了器件发光层在不同偏置电压下的带电情况。这些早期研究表明原位光谱方法是理解新型LED器件的工作机制的重要手段。此后，一些测试方法包括器件的原位吸收光谱、瞬态电致发光、电致吸收光谱和拉曼光谱等被应用在新型溶液法LED的研究。另外，传统半导体器件的电学分析手段，如阻抗谱测试和电容测试等，也被利用于探究新型溶液法LED的电荷积累与缺陷状态。

然而，目前国际上现有的仪器设备还远不足满足溶液法LED基础研究的需求，主要差距与仪器性能受限原因体现为以下五点：

(1)目前使用的大部分光电分析手段仅适用于低压或开路状态的LED，对工作状态下的器件原位表征还十分欠缺。当器件处于工作状态，即电驱动情况下，会表现出高亮度、大面积的电致发光，极易干扰光致发光光谱、吸收光谱和拉曼光谱等测试，限制了光谱学表征在工况器件中的原位、实时探测。考虑到器件在电驱动下，内部电场分布、载流子积累情况与低压或开路状态的情形显著不同，因此非工况的光谱学表征不能满足直接探究器件工作/失效机制的需求。鉴于此，必须发展新思路、新方法，对光路、信号探测方式、以及数据处理方式的创新，实现对器件在工况下的原位光谱学表征，直接探究LED器件工作时的物理与化学机制。

(2)目前对溶液法LED的光谱学测试手段通常采用大面积、宏观探测，尚未开发出高空间分辨率、多尺度的微区光谱测试系统。电致发光的空间不均匀性是溶液法LED一个常见的问题。领域内研究表明，LED中随机分布的暗区域与材料纯度、制备工艺的缺陷以及老化过程等密切相关。另外，受到电极尖端效应与电流拥堵效应(Current crowding effect)的影响，器件边缘部分的工作状态通常与其他部分显著不同。因此，在现有光电分析技术的基础上进一步实现空间分辨能力，能够揭示器件与空间相关的能量损失与老化机制，提高LED的发光均匀性与稳定性。更进一步地，单量子点电致发光的模型系统有助于我们在分子层面描绘微观的载流子动力学图像，这就要求将系统的空间分辨率和灵敏度提升至单分子光谱的水平。