Kvantumutbytte

Den kvanteutbytte (også kvantevirkningsgrad eller kvantumeffektivitet , eller i det spesielle tilfellet fluorescens utbytte ) angir forholdet mellom det lys kvanter som er involvert i en resulterende hendelse (f.eks lysabsorpsjon, fluorescens-emisjon, en fotokjemisk reaksjon av et molekyl, en rekombinasjon av ladningsbærerparene, etc.) og utløserhendelsen (for eksempel Totalt tilgjengelige fotoner). Kvanteutbyttet er vanlig . ${\ displaystyle \ leqq 1}$

I fluorescensspektroskopi indikerer kvanteutbyttet av en fluorofor forholdet mellom antall sendte og absorberte fotoner. Forskjellen er den konkurrerende Auger-effekten . Forholdet mellom genererte fotoner genererte hull som også skal betegnes som fluorescensutbytte (engl. Fluorescensutbytte ). Fluorescensutbyttet tildeles vanligvis et skall som tilsvarer den opprinnelige ioniseringen, og er derfor alltid mindre enn eller lik en. Det totale fluorescensutbyttet (summen over alle skjell for kaskadeeffekter) kan følgelig også være større enn en.

I detektorer for fotoner ( fotomultiplikator ; halvlederdetektorer som fotodioder og CCD ) indikerer kvanteutbyttet sannsynligheten som et elektron frigjøres av den fotoelektriske effekten og dermed kan foton oppdages. I solceller er kvanteutbyttet avgjørende for energiutbyttet. Kvanteutbyttet avhenger av bølgelengde eller frekvens.

Kvanteutbyttet er også et mål på produktiviteten til en fotoreaksjon . Når det gjelder kjemiske reaksjoner indusert av lys, er kvanteutbyttet antall omdannede molekyler per antall absorberte fotoner. Kvanteutbyttet er avhengig av energien av fotonet og dermed på bølgelengden av det lys (eller elektromagnetisk stråling ). I tilfelle kjedereaksjoner (f.eks. Fotopolymeriseringsreaksjoner ) kan den være større enn en sekundær.

Kvanteeffektivitet for fotomottakere, fosforer og halvlederlyskilder

I solceller , med fotodioder og andre fotomottakere , beskriver kvanteffektiviteten (QE) forholdet mellom elektroner som bidrar til fotostrømmen til antall bestrålte fotoner ved en viss lysbølgelengde : ${\ displaystyle N_ {e}}$ ${\ displaystyle N _ {\ nu}}$

${\ displaystyle QE (\ lambda) = {\ frac {N_ {e}} {N _ {\ nu} (\ lambda)}} = {\ frac {I} {q \ cdot \ Phi _ {p} (\ lambda )}} = {\ frac {h \ cdot f \ cdot I} {q \ cdot \ Phi _ {L} (\ lambda)}}}$

Her er det elementærladning , den photo , antall fotoner per gang og den strålingseffekt . ${\ displaystyle q}$${\ displaystyle I}$${\ displaystyle \ Phi _ {p}}$${\ displaystyle \ Phi _ {L}}$

Tilsvarende, når det gjelder lys mitterende dioder og laserdioder, betegner QE forholdet mellom utsendte fotoner til antall rekombinere elektron- hull -par, og, i tilfelle av fosfor, idet forholdet mellom antall utsendte fotoner av en ny bølgelengde til de absorberte fotoner av eksitasjonsbølgelengden.

Spektral følsomhet

Den samme størrelsen, målt blant annet i fotodioder, solceller eller fotokatoder i enheten amperes per watt, kalles spektral følsomhet (SR - for spektral respons ):

${\ displaystyle SR (\ lambda) = {\ frac {I} {P (\ lambda)}}}$

der lyseffekten har en bestemt bølgelengde. ${\ displaystyle P (\ lambda) = \ Phi _ {p} (\ lambda) h \ nu}$

Forholdet til kvanteeffektivitet er: ${\ displaystyle QE (\ lambda)}$

${\ displaystyle QE (\ lambda) = {\ frac {SR (\ lambda)} {\ lambda}} \ cdot {\ frac {hc} {q}}}$

Faktoren er for en spektral følsomhet i A / W og bølgelengde i m. ${\ displaystyle hc / q}$${\ displaystyle 1 {,} 239842 \ cdot 10 ^ {- 6}}$

Måleprinsipp

Nøyaktig kunnskap om (absolutt) bestrålt lyseffekt / antall fotoner er nødvendig for å måle kvanteeffektiviteten. Dette oppnås vanligvis ved å kalibrere en måleinnretning ved å bruke den kjente kvanteeffektiviteten til en (kalibrert) sammenligningsmottaker . Følgende gjelder: ${\ displaystyle QE _ {\ mathrm {cal}}}$

${\ displaystyle QE = QE _ {\ mathrm {cal}} \ cdot {\ frac {I _ {\ mathrm {mes}}} {I _ {\ mathrm {cal}}}}}$

hvor måles strømmen for testcellen og strømmen måles for sammenligningscellen. ${\ displaystyle I _ {\ mathrm {mes}}}$${\ displaystyle I _ {\ mathrm {cal}}}$

Måleoppsett

En lyskilde ( xenon- og / eller halogenlampe ) og en monokromator for valg av bølgelengdeintervaller er nødvendige for belysningen . Filtermonokromatorer eller gittermonokromatorer kan brukes som monokromatorer. Det monokromatiske lyset ledes så homogent som mulig på mottakeroverflaten som skal testes.

Signalet måles ofte ved hjelp av låseforsterkere for å forbedre signal / støyforholdet ; for dette må lyssignalet periodevis moduleres (pulseres) med en optisk helikopter .

Quantum Efficiency vs. Quantum Yield

Det er to faktorer som begrenser en kvanteindusert prosess i effektiviteten:

1. frekvensen av fotoner som faktisk trer i kraft (resten absorberes på en annen måte)
2. andelen av energien til fotonet som overføres (bortsett fra flerfotonabsorpsjonen , vil bare en foton være involvert): energien til det sendte fotonet vil være lavere av Stokes-skiftet enn for det innfallende fotonet.

Praktisk mening

Kvanteutbyttet er viktig for karakteriseringen av fotodioder , fotokatoder til fotoceller , bildeforsterkere og fotomultiplikatorer , men også av fosforer , fiberlasere og andre (lyspumpede) faststofflasere .

Kvanteutbyttet av fotokatoder kan nå verdier på over 50%. Nåværende toppverdier er:

• Cs ₂ Te ved 213 nm: ~ 20%
• GaAsP rundt 460 ... 540 nm: ~ 50%
• GaAs rundt 550 ... 720 nm: ~ 25%
• InP - InGaAsP litt over 1000 nm: ~ 1%

Kvanteutbyttet av enkeltkrystallfotodioder kan nå 90%; Monokrystallinske silisiumfotodioder oppnår en spektral følsomhet på rundt 0,5 A / W ved optimal mottaksbølgelengde rundt 900 nm; Solceller oppnår vanligvis ikke denne verdien - de er polykrystallinske eller amorfe, og effektiviteten er optimalisert for et bredest mulig område i det synlige spektrale området (sollys).

Kvanteutbyttet av fluorescerende fargestoffer som brukes til analysen er fra 2 til 42%, som avhenger sterkt av løsningen som brukes. Fargestoffet indokarbocyanin har en verdi på 28% ved en eksitasjonsbølgelengde på 678 nm (rød) og et fluorescensmaksimum ved 703 nm.

Kvanteutbyttet av fosforer som brukes til belysningsformål ( kald katodefluorescerende lamper (CCFL) , lysrør , hvite lysdioder ) er nær 100% ifølge forskjellige kilder. I følge Henning Höppe er det kvanteutbytter på 70 til 90% ved eksitasjonsbølgelengder på 253,65 nm (kvikksølvdampgassutslipp) og 450 nm (blå LED).

Kvanteutbytte spiller også en rolle i fotosyntese og produktiviteten til landbruksavlinger.

Se også

• Solsimulator
• Solceller

Individuelle bevis

1. ↑ kvanteeffektivitet
2. ↑ Eberhard Breitmaier: Organisk kjemi. Georg Thieme Verlag, 2005, ISBN 978-3-135-41505-5 , s. 554 ( begrenset forhåndsvisning i Googles boksøk ).
3. ↑ Dataark for vanlige fotodioder
4. ↑ Cord Meyer : Fluorescerende fargestoffer som proteinaffinitetssonder og potensielle sonder i HTS-metoder, avhandling ved Heinrich Heine University , Düsseldorf 2004, s. 90. DNB 973929472 .
5. ↑ Undersøkelse av membran-DNA-komplekser i eksterne elektriske felt , eksperimentelt grunnlag for fluorescensanalyse, Heidelberg University, s. 13 (PDF).
6. ↑ Henning Alfred Hoppe : Optiske, magnetiske og strukturelle egenskaper nitridosilicates, oxonitridosilicates og carbidonitridosilicates , avhandling Universitetet i München 2003, s 77 (. Online - PDF, 328 sider, 9,2 MB ).
7. ^ Paras N. Prasad: Nanophotonics . John Wiley & Sons, 2004, ISBN 0-471-67024-3 , pp. 167 ( begrenset forhåndsvisning i Google Book-søk).