試論量子點熒光材料在白光LED中的應(yīng)用

崔磊 何華強 麥杰平

摘? ?要：熒光量子點是新型無機的納米材料，因其特殊的性質(zhì)受到了廣泛的關(guān)注。熒光量子點在太陽能電池發(fā)光二極管和生物標記等方面有重要的應(yīng)用價值。在本文的研究中，主要核心在于量子點在白光LED方面的應(yīng)用，對量子點的形成機理和發(fā)光機理進行了闡述，通過量子點的材料在白光LED中的應(yīng)用明確了熒光量子點需要采用原位合成的方法制備硅樹脂，通過固化后形成了復(fù)合薄膜。通過具體的技術(shù)應(yīng)用來改善量子點的分散問題，使合成的量子點復(fù)合材料能夠更好的應(yīng)用于制備白光LED的要求，通過熒光量子點的技術(shù)應(yīng)用使LED的顯色指數(shù)明顯提高。

關(guān)鍵詞：量子點? 熒光材料? 白光LED? 原理? 應(yīng)用

量子點是一種人為的半導(dǎo)體納米材料，導(dǎo)帶和價帶之間的帶隙寬度是半導(dǎo)體材料的重要參數(shù)，由于材料本身的性質(zhì)決定的半導(dǎo)體的帶寬度是固定的，在納米半導(dǎo)體的顆粒尺寸小于10nm時，性能上就發(fā)生了重大的變化。在過去對量子點的研究過程中可以發(fā)現(xiàn)通過溫度濃度等方式來控制量子點的組分尺寸和形狀，能夠具有較高的熒光量子效率，而且光的穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性都非常好，量子點已經(jīng)應(yīng)用在商業(yè)顯示器的領(lǐng)域中，通過技術(shù)上的改善量子點熒光材料在白光LED中的應(yīng)用，獲得了理論和實踐上的重要突破。

1? 量子點材料的原理和特性

1.1 量子點的概念

量子點（quantum dot）其實是一種納米級別的半導(dǎo)體，通過對這種納米半導(dǎo)體材料施加一定的電場或光壓，它們便會發(fā)出特定頻率的光，而發(fā)出的光的頻率會隨著這種半導(dǎo)體的尺寸的改變而變化，因而通過調(diào)節(jié)這種納米半導(dǎo)體的尺寸就可以控制其發(fā)出的光的顏色，由于這種納米半導(dǎo)體擁有限制電子和電子空穴（Electron hole）的特性，這一特性類似于自然界中的原子或分子，因而被稱為量子點（如圖1所示）。

1.2 量子點的材料特性

量子點的發(fā)射光譜是通過改變量子點的大小來控制的，通過改變化學組成實現(xiàn)量子點的尺寸變化，進而實現(xiàn)不同尺寸量子點的發(fā)光譜覆蓋整個可見光區(qū)。發(fā)射波長可以從510nm到660nm，而硅量子點和其他量子點的發(fā)光可以到近紅外區(qū)，量子點具有光穩(wěn)定性的良好效應(yīng)，量子點的熒光強度比較好具有較好的穩(wěn)定性。通過量子點可以實現(xiàn)物體長時間的觀察效應(yīng)，根據(jù)細胞中生物分子長期互作用的原理，可以發(fā)現(xiàn)量子點比離子鍵更有光的穩(wěn)定性，量子點擁有較寬的激發(fā)譜和窄的發(fā)射譜，在同一個發(fā)光源可以對不同的量子點進行檢測，能夠極大促進在熒光標記中的應(yīng)用，量子點有窄而對稱的熒光發(fā)射峰型，在與其他物質(zhì)使用的時候不容易出現(xiàn)光譜交疊的現(xiàn)象。量子點與其他生物的相容性較好，經(jīng)過化學的修飾以后進行特異性連接，對生物體的危害較小，在各種量子點中，硅量子點是應(yīng)用最廣泛的物質(zhì)，根據(jù)實驗可以發(fā)現(xiàn)有機熒光染料和熒光壽命僅為幾納秒，而通過直接帶隙的量子點熒光壽命可以達到數(shù)十納秒，量子點的激發(fā)光譜寬，而且分布較廣，發(fā)射光譜較窄而且對稱，熒光壽命較長量子點是理想的熒光探針。

2? 量子點熒光材料在白光LED中的應(yīng)用

量子點材料的制備主要要根據(jù)實際應(yīng)用的要求進行控制，在白光LED中主要采用的材料為稀土熒光粉作為熒光轉(zhuǎn)換材料，通過稀土熒光粉制備白光LED，在LED點亮之后，發(fā)光亮度呈現(xiàn)出較高的狀態(tài)，光譜中缺少紅色部分，其顯色指數(shù)低，色溫太高，由于稀土不可再生，國家對于稀土的控制產(chǎn)量，非常嚴格，就會導(dǎo)致了稀土熒光粉的價格上升，在材料制備的過程中，各種熒光粉在混合生成之后，兼容性不能很好的解決。在材料制備中可以發(fā)現(xiàn)高效率，低色溫高亮度的要求是很難達到的，通過量子點作為新型的無機納米材料作為光轉(zhuǎn)換材料用于制備白光LED，量子點就具有很高的熒光效率，發(fā)射的光譜連續(xù)性可以得到有效控制，而且具有很寬的吸收譜，用量子點制備更加符合要求，這是量子點優(yōu)異性能的主要表現(xiàn)。量子點的制備方法可以有物理方法和化學方法，合成共價健是量子點，如硅量子點時由物理方法為主，而在合成具有離子鍵的量子點，如硫化鎘量子點時主要采用的是化學方法，在具體的方法中采用的是膠體化學方法在有機體中合成，另一種方法是水溶液中合成，其中金屬有機合成法主要是采用。二甲基（Cd（CH3）2）、三辛基硒化膦（SeTOP）作為前體，三辛基氧化膦（TOPO）作為配位溶劑，合成了高效發(fā)光的硒化鎘（CdSe）量子點，由于CdSe納米顆粒不溶于甲醇，可以加入過量甲醇，通過離心分離得到CdSe納米顆粒，其量子產(chǎn)率約為10%。另一種方法，水相直接合成法具有操作簡便，成本低，表明性質(zhì)可控的優(yōu)點。水相直接合成水溶性量子點技術(shù)主要以水溶性巰基試劑作穩(wěn)定劑。用氨基葡聚糖（aminodextran，Amdex）作穩(wěn)定劑，在室溫下合成了CdSe量子點。評價LED發(fā)光質(zhì)量的標準主要是色坐標顯色指數(shù)色溫，發(fā)光效率，色澤標示顏色的坐標需要根據(jù)光源的光譜分布和基本規(guī)則計算而得出，純正的白光色標為（0.33，0.34），顯色指數(shù)是光源對物體的顯色能力，數(shù)值越小，光源的顯色性就越差。色溫是某個黑體加熱到一定程度發(fā)光的顏色和光源發(fā)出的顏色是否相同。發(fā)光效率是光源發(fā)出的光的總通量與消耗的電功率的比值。在具體應(yīng)用中，通過原位合成方法制備了硅樹脂固化至成功，固化以后將量子點與其合成通過加入三甲氧基硅烷進行表面性質(zhì)改變，量子點就會在硅樹脂中分散而制備的復(fù)合量子點復(fù)合薄膜在量子點不吸收的波段，透過率就會接近100%，而且具有良好的熱穩(wěn)定性制備好的量子點復(fù)合材料用于封裝LED芯片時，改變了黃綠光量子點的用量，白光LED的色溫能夠達到3692-5311k，發(fā)光的效率最高能夠達到? 94.321m/W，而加入了紅光量子點后，顯色指數(shù)能夠明顯提高，白光LED的整體性能就可以進一步提高相關(guān)性能。

3? 結(jié)語

量子點材料具有性能上的良好效果，在白光LED的具體應(yīng)用中可以發(fā)現(xiàn)，量子點材料具有寬的激發(fā)譜，窄的發(fā)射譜，光的穩(wěn)定性能比較好，在應(yīng)用中需要注意水和熱等相關(guān)因素的材料應(yīng)用，量子點的形成機理和發(fā)光機理，需要明確其組分和尺寸以及光學性能的要求。在研究的過程中，確認好實驗的時間以及相關(guān)輔助材料的應(yīng)用。量子點材料可以應(yīng)用在更廣泛的領(lǐng)域，量子點作為電致發(fā)光材料應(yīng)用在LED器件上，實現(xiàn)了熒光技術(shù)在生物技術(shù)領(lǐng)域上的應(yīng)用，采用量子點制備出的復(fù)合材料，使得白光LED更加符合現(xiàn)代化工業(yè)的要求。

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