時間分辨光致發光(TRPL)技術的核心優勢及應用

在材料科學研究中，時間分辨光致發光（TRPL）已是一種高靈敏度、無損的光學探測技術，能夠在皮秒至微秒的時間尺度上精準捕捉材料在光激發后的動態行為。該技術廣泛應用于研究半導體到量子限制系統的材料特性，為研究人員揭示載流子壽命、復合機制、陷阱態分布等關鍵信息，助力材料性能的優化與器件應用的推進。

核心優勢：
▫無需電接觸，僅依賴光學激發與探測；
▫時間分辨率覆蓋皮秒到微秒量級；
▫可結合顯微系統實現空間分辨測量；
▫支持原位、變溫、變激發強度等多維實驗條件。

典型應用領域與洞察
① 鈣鈦礦（如MAPbI₃, FAPbBr₃）
•為何使用TRPL？
鈣鈦礦材料以其載流子壽命長而著稱，但降解、陷阱態和界面損耗會顯著縮短其壽命。

•TRPL揭示：
- 復合動力學過程及其輻射復合與陷阱輔助復合兩種路徑的相對貢獻。
- 載流子壽命的變化，可作為衡量鈍化工藝效果的間接指標。
- 在環境或光照誘導降解過程中復合機制的演變——當進行原位或時間序列測量時。

•示例洞察：
雙指數衰減揭示了快速陷阱相關成分（~100 ps）和較慢的帶間衰減（~ ns）。
CIGS太陽能電池不同位置的穩態與時間分辨發射光譜

使用德國PicoQuant公司的FluoTime 300熒光光譜儀在560 nm激發波長下，于兩個測量點測得約1250 nm處的熒光發射。將物鏡從20倍更換為40倍后，衰減曲線形狀發生改變且熒光壽命延長。

②過渡金屬二硫化物（TMDs，如MoS₂、WS₂）
•為何使用TRPL？
單層及少層過渡金屬二硫化物具有復雜的激子動力學特性，對環境敏感性強。

•TRPL揭示：
- 激子與三子的壽命差異。
- 通過壽命縮短檢測非輻射淬滅現象，結合空間或結構分析可揭示其與缺陷或界面效應的潛在關聯。

•示例洞察：
低溫TRPL實驗揭示了超快中性激子衰減（~數皮秒）之后存在長壽命暗激子成分。該特性對谷電子學應用具有重要價值。

③量子點（如InP, CdSe, PbS）
•為何使用TRPL？
TRPL可在廣泛的時間范圍內捕獲復合動力學，有助于區分內在過程和與表面相關的過程。

•TRPL揭示：
- 輻射效率
- 表面陷阱態
- 閃爍過程

•示例洞察：
TRPL區分了表面陷阱介導的非輻射復合（<20 ns）與穩定發光態（~100 ns）。這對QLED應用至關重要。

基于TRPL光譜技術的像素表征

在FluoTime 300上，通過FluoMic顯微鏡對智能手機顯示屏進行觀測，采用440 nm脈沖激光激發。測量了藍色（460 nm）、綠色（522 nm）和紅色（620 nm）像素的發射衰減特性。

④III-V 族和 II-VI 族半導體（如GaAs, GaN, ZnO）
•為何使用TRPL？
在GaN LED中，不同激發強度下的TRPL揭示了載流子飽和效應和Auger復合。

•TRPL揭示：
- 輻射復合壽命
- 摻雜或合金化的影響
- 異質結構中的界面復合

•示例洞察：
在GaN LED中，隨激發強度變化的TRPL現象呈現載流子飽和特性，有助于優化注入效率。

TRPL不僅是一種強大的分析工具，更是連接材料基礎研究與實際應用的橋梁。無論是提升太陽能電池效率、優化量子點發光性能，還是推動二維材料在光電領域的應用，TRPL都提供了不可替代的動態視角。選擇TRPL，就是選擇深度理解材料、精準優化性能的科學路徑。