實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：電致發(fā)光纖維的發(fā)光特性研究實(shí)驗(yàn)

研究方向：隨著柔性電子產(chǎn)品、智能傳感器、智能穿戴等領(lǐng)域的興起，柔性電致發(fā)光器件得到了蓬勃的發(fā)展。柔性電致發(fā)光纖維以其便攜性、柔軟性及可編織性，為可視化傳感領(lǐng)域帶來(lái)了巨大的發(fā)展?jié)摿?。但受限于其大多為雙電極結(jié)構(gòu)，制備工藝復(fù)雜，使其在成本、器件均勻性、靈敏性及柔軟性方面仍存在不足。單電極電致發(fā)光纖維由導(dǎo)電層、介質(zhì)層和發(fā)光層構(gòu)成，發(fā)光波長(zhǎng)為456nm，具有良好的力學(xué)性能、發(fā)光性能及柔軟性。單電極電致發(fā)光纖維可應(yīng)用于溶液的可視化傳感，其發(fā)光強(qiáng)度對(duì)于化鈉濃度的識(shí)別度可達(dá)到0.001%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），具有出色的靈敏度，在汗液檢測(cè)及生物等方面具有重要意義。發(fā)光纖維可進(jìn)一步編織成發(fā)光織物，其透氣性及力學(xué)方面均與普通的商用面料相媲美，并可實(shí)現(xiàn)不同濃度氯化鈉的可視化傳感。在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域，無(wú)線驅(qū)動(dòng)的單電極電致發(fā)光纖維具有實(shí)現(xiàn)視覺(jué)顯示和通信功能的巨大潛力。當(dāng)前可穿戴傳感器形態(tài)主要有薄膜和纖維兩種，相比于柔性電子領(lǐng)域常用的薄膜器件，纖維電子器件展現(xiàn)了更高的柔韌性、透氣性，在織物發(fā)生形變時(shí)能釋放應(yīng)力防止局部應(yīng)力集中，因而具有更長(zhǎng)的使用壽命和優(yōu)越的服役性能。在液體傳感監(jiān)測(cè)方面，纖維電子器件能夠與液體表面實(shí)現(xiàn)360°全面接觸，展現(xiàn)出更優(yōu)異的監(jiān)測(cè)性能。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證不同頻率和電場(chǎng)下材料的發(fā)光特性

測(cè)試設(shè)備：信號(hào)發(fā)生器、電壓放大器、示波器、透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、光譜儀等。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)ATA-214高壓放大器放大施加致發(fā)光材料的電極兩端，材料內(nèi)部會(huì)形成一個(gè)電場(chǎng)，再通過(guò)信號(hào)發(fā)生器改變交流信號(hào)的頻率，放大器改變電場(chǎng)的大小，研究不同電壓和頻率下的材料的發(fā)光特性。當(dāng)在材料的兩個(gè)電極之間施加電壓時(shí)，會(huì)在材料內(nèi)部形成一個(gè)電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)會(huì)激發(fā)材料中的電子，使其獲得足夠的能量。在電場(chǎng)的作用下，材料中的載流子（包括電子和空穴）會(huì)發(fā)生遷移。電子從負(fù)極（N型半導(dǎo)體）向正極（P型半導(dǎo)體）遷移，而空穴則反向遷移。當(dāng)電子和空穴在材料的某個(gè)區(qū)域相遇并復(fù)合時(shí)，會(huì)釋放出能量。釋放出的能量以光子的形式發(fā)出，形成可見(jiàn)光。這個(gè)過(guò)程中，電子在能級(jí)間的躍遷、變化、復(fù)合是導(dǎo)致發(fā)光的關(guān)鍵。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：如圖1.1（d）所示，在2000ms內(nèi)其發(fā)光功率密度僅相差0.5nW/cm2。如圖1.1（e）所示，從發(fā)光纖維在不同電壓下測(cè)量的光譜可看出其發(fā)光波長(zhǎng)為456nm。圖1.1（f）為發(fā)光纖維的發(fā)光色度圖，發(fā)出藍(lán)色的光。纖維在空氣中不同電壓下測(cè)得的發(fā)光功率如圖1.1（g）。如圖1.1（d）所示，在2000ms內(nèi)其發(fā)光功率密度僅相差0.5nW/cm2。如圖1.1（e）所示，從發(fā)光纖維在不同電壓下測(cè)量的光譜可看出其發(fā)光波長(zhǎng)為456nm。圖1.1（f）為發(fā)光纖維的發(fā)光色度圖，發(fā)出藍(lán)色的光。纖維在空氣中不同電壓下測(cè)得的發(fā)光功率如圖1.1（g）

圖1.1單電極電致發(fā)光纖維的發(fā)光性能測(cè)試。（a）纖維在水中的發(fā)光圖；（b）纖維在水中的發(fā)光放大圖；（c）纖維彎折的發(fā)光圖；（d）纖維彎折60°和120°下的發(fā)光功率密度；（e）不同電壓下的發(fā)光光譜；（f）色度圖；（g）不同電壓下發(fā)光圖；（h）不同頻率下發(fā)光圖；（i）不同角度測(cè)得的發(fā)光強(qiáng)度

圖1.2不同濃度鹽溶液發(fā)光實(shí)物圖

Na+和Cl?是汗液中含量最多的離子。單電極電致發(fā)光纖維可檢測(cè)的氯化鈉濃度范圍為0.17～5.128mmol/L（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.001%～0.03%），而人的汗液中Na+和Cl?的濃度范圍為1～10mmol/L。據(jù)報(bào)道，當(dāng)女性氯化鈉濃度大于4mmol/L時(shí)，她們的后代患囊性纖維化的風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。然而，傳統(tǒng)的汗液測(cè)試結(jié)果是以電信號(hào)的方式輸出的，電信號(hào)需要進(jìn)一步地轉(zhuǎn)換為數(shù)字或曲線來(lái)供人們讀取，無(wú)法實(shí)現(xiàn)直接可視化的檢測(cè)。由于離子濃度越高，離子在交變電場(chǎng)下發(fā)生偏轉(zhuǎn)所需要的能量越多，所以導(dǎo)致施加在發(fā)光材料上面的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)降低，最后導(dǎo)致發(fā)光強(qiáng)度變?nèi)?，?dǎo)致發(fā)光纖維的發(fā)光強(qiáng)度隨濃度的變化而改變。

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圖：ATA-214高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇