通过避免使用超出线性动态范围限制的光电探测器，改进了瞬态电致发光分析技术

《Organic Electronics》：Improved Transient Electroluminescence Analysis by Avoiding Photodetector Beyond Linear Dynamic Range Limits

　　摘要
瞬态电致发光（TrEL）被广泛用于揭示各种发光二极管（LED）的载流子和激子特性。TrEL测试需要满足一些基本标准，以确保不同研究团队或实验室之间结果的可比性和可靠性。然而，当TrEL测试超出光电探测器的线性动态范围（LDR）时，经常会出现测试错误，这会影响输出信号的可靠性，并最终导致不准确的结论。在这项工作中，揭示了由于非LDR条件引起的一些异常TrEL特征。通过分析这些特征，总结了TrEL研究中LDR检查的三个关键指导原则：1）始终检查改变脉冲周期和脉冲宽度是否会影响TrEL响应，因为这种变化可能表明PMT正在超出LDR范围内工作，应视为初始警告信号；2）始终检查高增益设置的光电倍增管（PMT）是否会导致饱和，这可以通过与低增益结果进行比较来验证：TrEL强度发生变化，但波形保持不变；3）始终检查光电探测器的最大输出电流是否在LDR范围内。这些指导原则提供了一种初步验证程序，可以在将TrEL特性归因于器件固有过程之前排除由探测器引起的伪影，从而提高对各种LED进行TrEL分析的可靠性。

引言
瞬态电致发光（TrEL）已成为研究各种发光二极管（如有机LED [1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、量子点LED [7]、[8]、[9] 和钙钛矿LED [10]、[11]、[12]）复杂物理特性的重要诊断工具。TrEL用于分析载流子的传输、积累、捕获和迁移率 [1]、[2]、[3]、[13]。通过TrEL分析，多项研究彻底阐明了OLED器件的延迟机制、衰减特性 [14]、[15]、[16] 以及载流子在界面层间的传输动态 [6]、[17]、[18]、[19]、[20]。它还可以揭示激子过程，例如三重态-三重态湮灭（TTA）[2]、[21]、延迟发射 [22]、[23]、[24]、[25]、扩散、复合 [26] 和激子解离 [27]。
图1a展示了一个典型的TrEL测量系统，该系统由四个主要部分组成：脉冲发生器、样品LED、光电探测器和示波器。在TrEL研究中，使用脉冲发生器生成的方波（CH1通道）来驱动样品LED，可以调节电压脉冲的高低幅度、频率（脉冲周期）和占空比（脉冲宽度）以实现不同的驱动条件。同时，生成一个触发信号来同步示波器的各种输入信号。在TrEL测试中，由于光电倍增管（PMT）具有高增益、出色的信噪比和快速的时间响应，能够高保真地捕获微弱且快速的光信号，因此被广泛采用。如图1b所示，典型的TrEL响应曲线包括由EL开始和脉冲电压下降沿分隔的过渡区域、上升区域和下降区域 [28]、[29]。

系统的准确性主要取决于光电探测器，它需要在其线性动态范围（LDR）内工作，同时要防止检测信号受到饱和引起的非线性失真，特别是在瞬态光强度变化几个数量级时。实际上，在分析电场依赖性时，LED的发射会在较宽的范围内进行调整，这并不总能保证LDR条件。对于低发射测量，使用高增益的光电探测器以获得合理的信噪比。如果将相同的设置应用于高发射测量，光电探测器很可能会在非LDR范围内工作，因此需要额外的控制来减少入射光以获得正确的结果。增益与PMT偏置电压的指数幂成正比：[公式此处省略]，其中[参数此处省略]由倍增极的结构和材料决定，其值介于0.7到0.8之间，[参数此处省略]是倍增极级的数量。这也意味着即使是PMT偏置电压的微小波动也会导致增益的显著波动（见图S1和文本S1）。
在许多高发射条件下的TrEL研究中，观察到EL上升区域的超调信号，这些信号被解释为激子相互作用 [3]、[4]、[30]、[31]、[32]、载流子积累 [33]、[34]、[35]、[36] 和捕获 [1]、[20]、[28] 的结果。然而，详细的测试条件，特别是对LDR的仔细检查，通常并未公开，可能导致对器件物理机制的错误解释。因此，建立一套TrEL测试指南是必要的。在这项工作中，也观察到了基于简单Alq3器件的类似超调现象。然而，仔细分析表明，观察到的超调并不是由器件内部的载流子动态或激子相互作用引起的，而是因为PMT超出了其LDR范围。通过系统研究各种TrEL测量条件（探测器的增益、脉冲电压参数和LED发射强度）对TrEL响应的影响，提出了一份实用的检查清单以避免非LDR条件：1）始终检查脉冲电压的频率是否影响TrEL响应；2）始终检查不同的PMT增益设置是否影响TrEL响应；3）始终检查光电探测器的最大输出电流是否在LDR范围内。

实验方法
使用绿色OLED作为光源，用于表征当PMT超出其LDR时出现的各种异常TrEL响应特征。该器件的结构为ITO/MoO3（1 nm）/NPB（60 nm）/Alq3（60 nm）/Liq（1 nm）/Al（120 nm）。实验程序按照我们之前发表的研究中描述的方法进行 [38]、[39]（见文本S2）。该器件的设计旨在通过采用双层未掺杂结构来简化结构。

结果与讨论
应在给定驱动条件下确定LED的TrEL响应，并且该响应应独立于测量设置。在这项工作中，使用了具有NPB/Alq3双层结构的简单OLED。为了确定设备的正确TrEL响应，检测系统设置为低增益控制电压约为0.4 V（对应-590 V，实际增益约为10^5-10^6，绿色曲线），并在0.463 mA的低驱动脉冲电流下测量设备的相应TrEL响应。

结论
总之，我们提出了一种通过系统分析由PMT超出其LDR引起的各种异常TrEL特征来可靠地进行TrEL表征的标准。推导出三个验证协议：1）始终检查改变脉冲宽度和国脉冲周期是否会影响TrEL响应，因为这种依赖性可能表明PMT正在LDR范围之外工作，应被视为初步警告信号；2）始终检查高PMT增益设置是否会导致...

作者贡献声明
梅 莲：监督、资源提供。
赵 永彪：撰写-审稿与编辑、可视化、监督、资金筹集。
马 英芬：数据管理。
卢 正宏：资源提供。
王 建清：数据管理。
祖 凯雷：数据管理。
徐 建：数据管理。
赵 浩雄：数据管理。
李 俊亮：数据管理。
王 中伟：数据管理。
王 有梅：撰写-审稿与编辑、原始草稿编写、软件开发、方法论研究、数据分析。
徐 迈瑞：数据管理。

数据可用性
数据可在请求时提供。

利益冲突声明
作者声明他们没有可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号61905206、12364054和62304078）、中央政府领导的本地科技发展资金（项目编号202307AB110010）以及云南省基础研究项目（项目编号202501CF070074）的支持。作者感谢云南大学的启动支持和云南省高校重点实验室的建设资金。

作者名单：
王 有梅 | 李 益宏 | 王 海亮 | 徐 志杰 | 马 英芬 | 王 建清 | 苏 凯雷 | 徐 建 | 赵 浩雄 | 李 俊亮 | 王 中伟 | 徐 迈瑞 | 史 昌生 | 徐 边斌 | 梅 莲 | 赵 永彪 | 卢 正宏
中国昆明市云南大学物理与天文学院物理系，邮编650091