實驗名稱：電致發光纖維的發光特性研究實驗

研究方向：隨著柔性電子產品、智能傳感器、智能穿戴等領域的興起，柔性電致發光器件得到了蓬勃的發展。柔性電致發光纖維以其便攜性、柔軟性及可編織性，為可視化傳感領域帶來了巨大的發展潛力。但受限于其大多為雙電極結構，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。單電極電致發光纖維由導電層、介質層和發光層構成，發光波長為456nm，具有良好的力學性能、發光性能及柔軟性。單電極電致發光纖維可應用于溶液的可視化傳感，其發光強度對于化鈉濃度的識別度可達到0.001%（質量分數），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。發光纖維可進一步編織成發光織物，其透氣性及力學方面均與普通的商用面料相媲美，并可實現不同濃度氯化鈉的可視化傳感。在可穿戴設備領域，無線驅動的單電極電致發光纖維具有實現視覺顯示和通信功能的巨大潛力。當前可穿戴傳感器形態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，纖維電子器件展現了更高的柔韌性、透氣性，在織物發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優越的服役性能。在液體傳感監測方面，纖維電子器件能夠與液體表面實現360°全面接觸，展現出更優異的監測性能。

實驗目的：驗證不同頻率和電場下材料的發光特性

測試設備：信號發生器、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：信號發生器產生激勵信號經過ATA-214高壓放大器放大施加致發光材料的電極兩端，材料內部會形成一個電場，再通過信號發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光特性。當在材料的兩個電極之間施加電壓時，會在材料內部形成一個電場。這個電場會激發材料中的電子，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、復合是導致發光的關鍵。

實驗結果：如圖1.1（d）所示，在2000ms內其發光功率密度僅相差0.5nW/cm2。如圖1.1（e）所示，從發光纖維在不同電壓下測量的光譜可看出其發光波長為456nm。圖1.1（f）為發光纖維的發光色度圖，發出藍色的光。纖維在空氣中不同電壓下測得的發光功率如圖1.1（g）。如圖1.1（d）所示，在2000ms內其發光功率密度僅相差0.5nW/cm2。如圖1.1（e）所示，從發光纖維在不同電壓下測量的光譜可看出其發光波長為456nm。圖1.1（f）為發光纖維的發光色度圖，發出藍色的光。纖維在空氣中不同電壓下測得的發光功率如圖1.1（g）

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

圖1.2不同濃度鹽溶液發光實物圖

Na+和Cl?是汗液中含量最多的離子。單電極電致發光纖維可檢測的氯化鈉濃度范圍為0.17～5.128mmol/L（質量分數0.001%～0.03%），而人的汗液中Na+和Cl?的濃度范圍為1～10mmol/L。據報道，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換為數字或曲線來供人們讀取，無法實現直接可視化的檢測。由于離子濃度越高，離子在交變電場下發生偏轉所需要的能量越多，所以導致施加在發光材料上面的電場強度會降低，最后導致發光強度變弱，導致發光纖維的發光強度隨濃度的變化而改變。

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審核編輯 黃宇