實驗名稱：電致發(fā)光纖維的發(fā)光特性研究實驗

　　研究方向：隨著柔性電子產(chǎn)品、智能傳感器、智能穿戴等領域的興起，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，為可視化傳感領域帶來了巨大的發(fā)展?jié)摿Α５芟抻谄浯蠖酁殡p電極結構，制備工藝復雜，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)光纖維由導電層、介質(zhì)層和發(fā)光層構成，發(fā)光波長為456nm，具有良好的力學性能、發(fā)光性能及柔軟性。單電極電致發(fā)光纖維可應用于溶液的可視化傳感，其發(fā)光強度對于化鈉濃度的識別度可達到0.001%（質(zhì)量分數(shù)），具有出色的靈敏度，在汗液檢測及生物等方面具有重要意義。發(fā)光纖維可進一步編織成發(fā)光織物，其透氣性及力學方面均與普通的商用面料相媲美，并可實現(xiàn)不同濃度氯化鈉的可視化傳感。在可穿戴設備領域，無線驅(qū)動的單電極電致發(fā)光纖維具有實現(xiàn)視覺顯示和通信功能的巨大潛力。當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)生形變時能釋放應力防止局部應力集中，因而具有更長的使用壽命和服役性能。在液體傳感監(jiān)測方面，纖維電子器件能夠與液體表面實現(xiàn)360°全面接觸，展現(xiàn)出更優(yōu)異的監(jiān)測性能。

　　實驗目的：驗證不同頻率和電場下材料的發(fā)光特性

　　測試設備：信號發(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。

　　實驗過程：信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵信號經(jīng)過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)部會形成一個電場，再通過信號發(fā)生器改變交流信號的頻率，放大器改變電場的大小，研究不同電壓和頻率下的材料的發(fā)光特性。當在材料的兩個電極之間施加電壓時，會在材料內(nèi)部形成一個電場。這個電場會激發(fā)材料中的電子，使其獲得足夠的能量。在電場的作用下，材料中的載流子（包括電子和空穴）會發(fā)生遷移。電子從負極（N型半導體）向正極（P型半導體）遷移，而空穴則反向遷移。當電子和空穴在材料的某個區(qū)域相遇并復合時，會釋放出能量。釋放出的能量以光子的形式發(fā)出，形成可見光。這個過程中，電子在能級間的躍遷、變化、復合是導致發(fā)光的關鍵。

　　實驗結果：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量的光譜可看出其發(fā)光波長為456nm。圖1.1（f）為發(fā)光纖維的發(fā)光色度圖，發(fā)出藍色的光。纖維在空氣中不同電壓下測得的發(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量的光譜可看出其發(fā)光波長為456nm。圖1.1（f）為發(fā)光纖維的發(fā)光色度圖，發(fā)出藍色的光。纖維在空氣中不同電壓下測得的發(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）不同角度測得的發(fā)光強度

　　圖1.2不同濃度鹽溶液發(fā)光實物圖

　　Na+和Cl?是汗液中含量最多的離子。單電極電致發(fā)光纖維可檢測的氯化鈉濃度范圍為0.17～5.128mmol/L（質(zhì)量分數(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)報道，當女性氯化鈉濃度大于4mmol/L時，她們的后代患囊性纖維化的風險顯著增加。然而，傳統(tǒng)的汗液測試結果是以電信號的方式輸出的，電信號需要進一步地轉(zhuǎn)換為數(shù)字或曲線來供人們讀取，無法實現(xiàn)直接可視化的檢測。由于離子濃度越高，離子在交變電場下發(fā)生偏轉(zhuǎn)所需要的能量越多，所以導致施加在發(fā)光材料上面的電場強度會降低，最后導致發(fā)光強度變?nèi)?，導致發(fā)光纖維的發(fā)光強度隨濃度的變化而改變。

　　電壓放大器推薦：ATA-214高壓放大器

　　圖：ATA-214高壓放大器指標參數(shù)

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