专利名称：材料样品库发光特性的快速分析测试方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于材料发光特性的分析测试方法及装置，主要是材料样品库发光特性的快速分析测试方法及装置。
背景技术：
组合方法是一种用于材料研究的新方法。采用这一方法筛选新材料时，每次可在一个基片上制备大量不同组分的材料样品，构成一个庞大而密集的材料样品阵列，即材料样品库(又称材料芯片)。在这样的组合材料样品库上，不仅每个样品的尺寸很小(可能是面积不足1平方毫米、厚度不足1微米的薄膜)，而且样品的数量很多(可达1000，甚至10000个)、密度很高(可达100-1000样品/平方厘米)。为了实现有效的筛选，需要对样品库上每个样品的性能进行快速的测试分析，从而在较短的时间内判断优良材料的配方。如果采用常规的测试手段，逐一对材料样品库上的每个样品进行测试分析，会耗费很长的时间，使筛选工作变得不切实际。以1英寸见方上32×32＝1024个发光样品的材料样品库为例，如果每个样品光谱的采集时间为半小时左右，则整个测试约需21天。因此，将组合方法用于发光材料的研究，需要一种快速的发光特性记录方法及装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种组合式材料样品库发光特性的快速分析测试方法及装置。
本发明的技术解决方案如下一种用于材料样品库上的材料样品库发光特性的快速分析测试方法，先用材料发光光波的激发源激发材料样品库上的所有样品，使材料样品库上的每个样受激发产生发光光波，再经光学成像后，用光学记录器记载材料样品库上每个样品发出的光波。激发源可以采用激发光源照射整个光致发光材料样品库，激发出样品库上每个样品的光致发光光波，然后利用光学成像和记录装置对这些光波进行记录。或者，采用激发电源将电场加载到电致发光材料样品库所有的样品上，激发出样品库上每个样品的电致发光光波，然后利用光学成像和记录装置对这些光波进行记录。
或者，采用激发电子束快速扫描阴极射线发光材料样品库上的各个样品，激发出样品库上每个样品的阴极射线发光光波，然后利用光学成像和记录装置对这些光波进行记录。
一种实施材料样品库发光特性的快速分析测试方法的装置，由材料发光光波的激发源、样品架6、成像镜头10和光学记录器12组成，在样品架6上放置材料样品库，材料发光光波激发源、样品架6、成像镜头10和光学记录器12设在工作台上，成像透镜10及光学记录器12位于样品受激发后所产生的发光光波的光路上。根据所采用的激发源的具体情况，本发明的技术解决方案可以采用下述三种方案第一整个装置由激发光源、样品架、成像镜头和光学记录器组成，置于同一工作平台上；固定组合材料样品库的托架置于样品架上，样品架位于激发光源的照射面，成像镜头和光学记录器则位于样品的出射光路上。
上述方案中，托架及样品架为透光结构，成像镜头和光学记录器则位于样品的透射光路上；或者，样品架上还设置可调角度的机构，成像镜头和光学记录器则位于样品的出射光路或/和透射光路上。
第二整个装置由激发电源、样品架、成像镜头和光学记录器组成，置于同一工作平台上；固定组合材料样品库的托架置于样品架上，样品库上各样品的激发电极位于样品的两侧，将样品夹在两电极之间，两电极中至少有一个是透光的，所有样品的电极同时和电源相连接；成像镜头和光学记录器则面对透光电极，位于样品的出射光路或/和透射光路上。
第三整个装置由带有聚焦和快速扫描电场或扫描磁场的阴极射线源、样品架、成像镜头和光学记录器组成，置于同一工作平台上；固定组合材料样品库的托架置于样品架上，样品架位于阴极射线源所形成的激发电子束的扫射面；样品与样品库基片以及样品架之间电导通，样品架和阴极射线源共同接地；成像镜头和光学记录器则位于样品的出射光路或/和透射光路上。
上述方案中，光学记录器可以用光学照相底片、彩色CCD或带滤光片组的单色CCD。
也就是说，本发明是将激发源(包括激发光源、激发电源、激发电子束等)与面发光样品的彩色成像或光谱成像技术结合起来，并用于材料样品库上大量微小样品发光特性的快速记录，配合计算机分析系统，可以极大地提高组合方法研究材料发光性能的速度。
本发明是基于以下原理提出的当发光材料受到合适的能量激发时，材料本身会被激发出反映其特性的光波。根据此原理，若以合适的激发光源同时照射整个光致发光材料样品库，或通过激发电源将合适的电场加载在整个电致发光材料样品库上，或通过激发电子束快速扫描阴极射线发光材料样品库上的各个样品，样品库上的各个样品就会根据其本身的特性被激发出不同的光波，利用光学成像和记录装置同时对这些光波进行记录，即可反映出样品库上各个样品的发光特性，从而一次性完成样品库上所有材料的发光特性测量。
这一过程可采用以下具体结构的装置来实现如果组合筛选光致发光材料，整个装置由激发光源、样品架、成像镜头和光学记录器组成，置于同一工作平台上；固定组合材料样品库的托架置于样品架上，样品架位于激发光源的照射面，成像镜头和光学记录器则位于样品的出射光路(即样品表面直接向外发射光波的光路)上，对样品受激发后所产生的光波进行记录，托架及样品架一般为非透光结构(若为透光结构亦可)。其中的激发光源可以是流气式空心阴极灯、紫外灯、激光器或X射线发生器等。当需要采用真空紫外光激发材料样品库时，可采用流气式空心阴极灯，此时应配合真空光学腔及适当的配气系统、抽气系统使用。当需要采用紫外光激发材料样品库时，则可采用紫外灯，无需真空系统，只需用适当滤光片滤出相应的辐射波段照射样品。或者，可直接选用所需波段的激光器作为激发光源，如果激光器的光束较小，可在光路上加装扩束装置，使得光束可以同时照射整个材料样品库。当需要采用X射线激发材料样品库时，则可采用X射线发生器，无需真空系统，用适当的X射线滤光片滤出相应波段的辐射照射样品。
若上述方案中，托架及样品架为透光结构(例如中空的框架结构，或采用透光材料制作的平板结构)，则成像镜头和光学记录器也可以位于样品的透射光路(即样品透过基片向外发射光波的光路)上，此时样品库基片亦应采用透光材料制作。或者，样品架上还设置可调角度的机构，成像镜头和光学记录器则可位于样品的出射光路或/和透射光路上，根据需要自选、只要便于记录即可。
如果组合筛选电致发光材料，则将样品库上各个样品的激发电极与激发电源相连即可。整个装置由激发电源、样品架、成像镜头和光学记录器组成，置于同一工作平台上；固定组合材料样品库的托架置于样品架上，样品的激发电极分别位于样品的两侧(即电极将样品夹在中间，两电极中至少有一个是透光的)，所有样品的电极同时和电源相连接将激发电压加到所有的样品电极上，在所有的样品中形成电场。成像镜头和光学记录器面对透光电极，位于样品的出射光路或/和透射光路上(当位于透射光路时，透光电极应位于样品库基片一侧，且样品库基片亦透光)。激发电源可以根据需要采用可调电压的交流或直流电源，以适应不同样品的需要，电压的峰值应高于样品的激发阈值、低于样品的击穿电压。
如果组合筛选阴极射线发光材料，则以激发电子束快速扫描样品库上的每个样品。整个装置由带有聚焦和快速扫描电场或扫描磁场的阴极射线源、样品架、成像镜头和光学记录器组成，置于同一工作平台上。此时应配合真空光学腔及适当的抽气系统使用，使阴极射线源和样品库处于真空之中。阴极射线源发出合适能量的激发电子束快速扫描样品库上的各个样品。固定组合材料样品库的托架置于样品架上，样品架位于电子束的扫射面。可采用在样品表面设置密集的金属格栅的方式(此为通常的显示器中所采用的技术)或其它合适的方式，使样品与样品库基片以及样品架之间形成电导通，样品架和阴极射线源共同接地，使阴极射线源和样品、样品架三者形成电子回路，使落到样品或样品库基片上的电子不致积聚阻碍后续电子的激发作用。成像镜头和光学记录器则位于样品的出射光路或/和透射光路上(同样，当位于透射光路时，样品库基片应透光)。
在以上装置中，光学记录器可以用光学照相底片、彩色CCD或带滤光片组的单色CCD。其中，可以直接利用光学照相机或数码照相机拍摄材料样品库发光所成的彩色像，此时成像镜头即为照相机镜头，光学记录器即为光学照相底片或彩色CCD(例如彩色数码相机中的CCD)；当采用单色CCD配合一组滤色片使用时，CCD位于镜头焦平面处，滤色片可以按一定次序安装在转轮上，通过手动或机械装置驱动转轮，使各个波段的滤色片分别处于光路中，这样就可以拍摄一组由样品库上的样品发光所形成的各个波长的光谱像，再由计算机合成出各个样品的发光光谱。这样就可以通过分析样品库所成的彩色像或光谱数据，筛选出性能良好(如效率高、色纯度高)的发光材料。
综上所述，本发明将发光样品的面激发与发光样品的彩色成像或光谱成像技术结合起来，用于材料样品库发光特性的组合研究，可以极大地提高材料发光特性的研究速度。利用本发明，可以同时记录一个材料样品库上大量样品的发光情况，以便快速比较、判断各个样品的发光特性，从中筛选出性能优良的材料。本发明实现了真正意义上的材料样品库发光特性的快速筛选。
图1为本发明实施例结构示意图(以流气式空心阴极灯、出射光路记录为例)。
图2为本发明实施例结构(透射光路记录部分)示意图。
图3为本发明实施例中配气系统结构示意图。
图4为本发明实施例中活门结构示意图。
图5为本发明实施例中样品架结构示意图。
图6为本发明实施例中托架结构示意图。
图7为本发明实验结果示例(材料样品库彩色发光照片)。
图8为采用紫外灯激发时的结构示意图。
图9为采用激光器激发时的结构示意图。
图10为组合筛选电致发光材料时的结构示意图。
图11为采用阴极射线激发时的结构示意图。
具体实施例方式实施例1一种用于材料样品库上材料样品库发光特性的快速分析测试方法，先用材料发光光波的激发源激发材料样品库上的所有样品，使材料样品库上的每个样品受激发产生发光光波，再经光学成像后，用光学记录器记载材料样品库上每个样品发出的光波，具体来说，可以采用激发光源同时照射整个光致发光材料样品库上的所有样品，激发出样品库上每个样品的光致发光光波，也可以采用激发电源将电场加载到整个电致发光材料样品库上的所有样品，激发出样品库上每个样品的电致发光光波，还可以采用激发电子束扫描整个阴极射线发光材料样品库上的所有样品，激发出样品库上每个样品的阴极射线发光光波。
实施例2一种用于材料样品库上材料发光特性的快速分析测试装置，由材料发光光波激发源、样品架6、成像镜头10和光学记录器12组成，在样品架6上放置材料样品库，材料发光光波激发源、样品架6、成像镜头10和光学记录器12设在工作台上，成像透镜10及光学记录器12位于样品受激发源激发后所产生的发光光波的光路上，具体来说，材料发光光波激发源为激发光源；或者材料发光光波激发源为激发电源，固定组合材料样品库的托架置于样品架6上，连接于激发电源的电极32位于样品平面的两侧；或者材料发光光波激发源为带有聚焦和快速扫描电场或扫描磁场36的阴极射线源30，样品架位于阴极射线源所形成的激发电子束的扫射面；样品与样品库基片以及样品架之间电导通，样品架和阴极射线源共同接地，上述光学记录器12采用光学照相底片、彩色CCD或带滤色片组11的单色CCD。
以真空紫外光致发光材料样品库为例。采用流气式空心阴极灯1，由配气系统13输出的合适气体经过进气口2进入阴极灯，并通过抽气口3由抽气系统5迅速抽出，以保持灯内的真空度。可调高压电源向空心阴极灯供电。配气系统将贮气钢瓶14中的He、Ne、Xe等高纯气体经过各自的减压阀15和流量计16后，通过一个多通混气阀17和管路18进行充分混合后进入空心阴极灯1。调节减压阀和流量计，可以控制各气体的配比和灯内的压强，再通过调节电源的电压或电流以获得需要的激发波长。气体在阴极灯的直流高电压的作用下放电，发出真空紫外光辐射。灯的出光口为一小孔28，该出光孔同时用作差分抽气的限流孔。灯的出光口与真空光学腔4相连。光学腔的抽气口3亦与抽气系统5相连，且尽可能靠近灯的出光口，以便迅速地将由阴极灯出光口流入光学腔中的气体抽走，以维持腔中的真空度。也可采用对真空紫外光有较大透过率的氟化镁片密封阴极灯的出光口，作为阴极灯的窗口，这样可以将阴极灯中的放电气体与真空光学腔隔绝，使真空光学腔的真空度不受阴极灯内气压的影响。抽气系统可采用真空泵(如机械泵、分子泵等)。光学腔一般为圆柱体或类似形状，也是为了便于维持腔中的高真空度。制备好的材料样品库固定在托架上，然后通过可以方便快速开合的活门9放置在光学腔中的样品架6上，在真空紫外光的照射下材料样品库上各个样品依其自身发光特性发出相应的光波。活门可采用螺旋或卡扣等形式开合。样品架和托架上有相互配合的定位件(如销25、孔27和磁性吸块24)，可以方便地将托架定位，便于更换样品。样品架固定在光学腔中，使样品架与入射光(即真空紫外激发光)的方向成一合适的角度，即入射光可以照射到样品上、同时样品的出射光路与透光窗口7相适应，这样，样品被激发出的光波即可通过透光窗口7、经成像镜头10成像后，用光学记录器12(如光学照相底片、彩色或单色CCD等)进行记录。透光窗口可采用光学玻璃制作。透光窗口及活门上应设置合适的密封件(例如弹性封条)以便于维持腔中的真空。
当采用透射方式时，样品架及托架为透光结构(例如透明的或中空的框架)，样品架上设置可调角度的机构(例如转轴26)；将样品架旋转到正对入射光的方向，即样品的透射光路与透光窗口8相适应，样品被激发出的光波即可先透过透明基片、再通过透光窗口8、经成像镜头10成像后，用光学记录器12(如光学照相底片、彩色或单色CCD等)进行记录。装置中可以同时设置出射和透射记录系统，也可以只设置其中一种。
光学记录器12可以采用光学照相机或彩色数码照相机，利用照相底片或彩色CCD直接拍摄样品库发光所成的彩色像；也可采用单色CCD配合一组滤色片11使用，滤色片按一定次序安装在转轮上，通过手动或机械装置(如步进电机)驱动转轮，使各个波段的滤色片分别处于光路中，这样就可以拍摄一组由样品库上的样品发光所形成各个波长的光谱像，再由计算机合成出各个样品的发光光谱。这样就可以通过分析样品库所成的彩色像或光谱数据，筛选出性能良好(如效率高、色纯度高)的真空紫外光致发光材料。
流气式空心阴极灯是委托中科院长春光机所三高技术公司设计制作的。高压电源的最高电压1300V，最大电流300mA，触发脉冲高压20000V。
阴极灯中可以使用的气体He，Ne，Ar，N2，Xe及其混合气体等。
真空光学腔为不锈钢制成，直径为250mm，长度为750mm，样品与光源的距离应保证出光孔中发出的真空紫外光可以照射到样品库上的所有样品。极限真空为5×10-5Pa。透光窗口为石英玻璃制成，直径100mm。采用出射系统进行光记录。
抽气系统的真空泵采用分子泵(KYKY F100/110涡轮分子泵)，机械泵(富斯特2XZ-8B型旋片机械泵)用作前级，同时为流气式空心阴极灯和真空光学腔抽气。
活门采用不锈钢材料，活门盖20通过铰链21安装在接口法兰19上、通过螺栓22及其螺母23开合。样品架及托架亦为不锈钢制成，为中空形式，内沿尺寸28×28cm2；样品架和托架上相互配合的定位件采用定位销25、定位孔27和磁性吸块24；样品架的转轴26安装在真空腔中的固定件上。
成像镜头为NIKON F1.2标准照相镜头，滤色片为带通滤色片，带宽12nm，带内平均透过率大于40％，带外背景小于1％，从400nm至650nm每10nm一片，在转轮的驱动下，先后定位在镜头前，以便CCD拍摄材料样品库发光的光谱照片，CCD为美国Roper Scientific的VersArray 512F/TE。用上述镜头、滤色片、和CCD组合可以拍摄一组由样品库上的样品发光所形成的各个波长的光谱像，再由计算机合成出各个样品的发光光谱。或者用数码相机直接拍摄样品库上各个样品的彩色发光图像。
材料样品库的基片为抛光的单晶硅片、刚玉陶瓷、宝石或者玻璃等。
如果采用紫外灯、激光器作为激发光源，则不需要配气系统和真空光学腔，记录部分保持原状。
对于紫外光源，可以采用图8所示的激发方式。紫外灯33发出的光经滤色片29后，照射到整个样品库上。
对于X射线激发，只需将紫外灯33换成X射线发生器，将紫外滤色片29换成X射线滤光片即可。
对于激光光源，则可以采用图9所示激发方式，激光器34发出的激光光束经过常用的光学扩束器35后，光束变大，可以同时照射整个材料样品库。
对于电致发光材料，则不需要任何激发光路，可以采用图10所示的激发方式，在电致发光材料样品库所有样品的两侧加上电极32，至少一侧的电极是透光的，将样品库上所有样品的电极与适当的交流或直流电源31相连，记录装置保持原状，并面向透光电极。电极的制作可以采用如下方式先在绝缘的样品库基片上镀一层金属或其他导电材料薄膜形成导电体、或者直接选用导电材料作为衬底，从而构成样品下侧的电极，再在其上制备电致发光材料的样品库，最后在样品库的每一个样品的表面利用透光导电材料(例如ITO)镀膜做成透光的电极，从而构成样品上侧的电极，并用导线将上下两侧电极各自引出(采用通常的集成电路技术即可)、与电源的两极分别相连。
对于阴极射线发光材料，可以采用图11所示的激发方式，即将图1中的空心阴极灯1换成带有聚焦和扫描电场或扫描磁场36的阴极射线源30，同时去掉配气系统，记录装置保持不变。为避免电子在样品上形成积聚、阻碍后续电子的激发，可以在样品表面镀上密集的导电格栅(例如0.01mm间隔的铜格栅)并与样品库基片、样品架相连，样品库基片和样品架亦采用导电材料制作，使样品库上的每个样品与样品库基片、样品架之间保持电导通，而且样品架和阴极射线源共同接地，使阴极射线源和样品、样品架三者形成电子回路，这样就使落到样品或样品库基片上的电子不致积聚。
操作实例首先旋松活门9上的螺栓，打开活门，将GdSr(BxP2-x)O5.5-7.5:Eu0.1做成的材料样品库放置在样品架6上，关闭活门并旋紧螺栓。启动真空泵，通过抽气口3对阴极灯1和真空光学腔4抽气。
当腔内真空度达到5×10-4Pa时，可以向空心阴极灯1通气。首先打开其中两个贮气钢瓶14上的减压阀15，再调节各个流量计16，使Xe，Ne气体的流量达到1∶5。此时Xe，Ne气体通过混气阀17以及管道18充分混合后进入空心阴极灯。
可以通过调节进气口2的阀门来控制气体进入空心阴极灯的流速，使光学腔内维持一定的真空度5×10-2Pa。
待光学腔内气压稳定后，启动空心阴极灯的电源。加上高电压后触发，有真空紫外辐射发出。调节电源的电流及电压值，使出射光强达到最大值。这时可以通过透光窗口7观察到材料样品库上样品的发光。
调整成像镜头10使样品在光学记录器12上清晰成像。这样，材料样品库上每一个样品的发光情况都会被数码相机记录下来。结果如图7所示。该图像可传给计算机，经过计算得到各个样品发光的色坐标和相对发光亮度。
权利要求
1.一种用于材料样品库上材料样品库发光特性的快速分析测试方法，其特征在于先用材料发光光波的激发源激发材料样品库上的所有样品，使材料样品库上的每个样品受激发产生发光光波，再经光学成像后，用光学记录器记载材料样品库上每个样品发出的光波。
2.根据权利要求1所述的材料样品库发光特性的快速材料分析测试方法，其特征在于采用激发光源同时照射整个光致发光材料样品库上的所有样品，激发出样品库上每个样品的光致发光光波。
3.根据权利要求1所述的材料样品库发光特性的快速材料分析测试方法，其特征在于采用激发电源将电场加载到整个电致发光材料样品库上的所有样品，激发出样品库上每个样品的电致发光光波。
4.根据权利要求1所述的材料样品库发光特性的快速材料分析测试方法，其特征在于采用激发电子束扫描整个阴极射线发光材料样品库上的所有样品，激发出样品库上每个样品的阴极射线发光光波。
5.一种实施权利要求1所述的分析测试方法的装置，其特征在于由材料发光光波激发源、样品架(6)、成像镜头(10)和光学记录器(12)组成，在样品架(6)上放置材料样品库，材料发光光波激发源、样品架(6)、成像镜头(10)和光学记录器(12)设在工作台上，成像透镜(10)及光学记录器(12)位于样品受激发源激发后所产生的发光光波的光路上。
6.根据权利要求5所述的分析测试方法的装置，其特征在于材料发光光波激发源为激发光源。
7.根据权利要求5所述的分析测试方法的装置，其特征在于材料发光光波激发源为激发电源，固定组合材料样品库的托架置于样品架(6)上，连接于激发电源的电极(32)位于样品平面的两侧。
8.根据权利要求5所述的分析测试方法的装置，其特征在于材料发光光波激发源为带有聚焦和快速扫描电场或扫描磁场(36)的阴极射线源(30)，样品架位于阴极射线源所形成的激发电子束的扫射面；样品与样品库基片以及样品架之间电导通，样品架和阴极射线源共同接地。
9.根据权利要求5、6、7或8所述的分析测试方法的装置，其特征在于光学记录器(12)采用光学照相底片、彩色CCD或带滤色片组(11)的单色CCD。
全文摘要
本发明公开了一种材料样品库发光特性的快速分析测试方法及装置。方法先用材料发光光波的激发源激发材料样品库上的所有样品，使材料样品库上的每个样品受激发产生发光光波，再经光学成像后，用光学记录器记载材料样品库上每个样品发出的相反光波。装置由材料发光光波激发源、样品架、成像镜头和光学记录器组成，在样品架上放置材料样品库，材料发光光波激发源、样品架、成像镜头和光学记录器设在工作台上，成像透镜及光学记录器位于样品受激发源激发后所产生的发光光波的光路上。利用本发明，可以快速地比较、判断一个材料样品库上各个样品的发光性能，从中筛选出优良的发光材料配方。
文档编号G01N21/62GK1487282SQ0315293
公开日2004年4月7日 申请日期2003年9月4日 优先权日2003年9月4日
发明者高琛, 刘小楠, 崔宏滨, 高 琛 申请人:中国科学技术大学