試論量子點(diǎn)熒光材料在白光LED中的應(yīng)用

崔磊 何華強(qiáng) 麥杰平

摘? ?要：熒光量子點(diǎn)是新型無(wú)機(jī)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(diǎn)在太陽(yáng)能電池發(fā)光二極管和生物標(biāo)記等方面有重要的應(yīng)用價(jià)值。在本文的研究中，主要核心在于量子點(diǎn)在白光LED方面的應(yīng)用，對(duì)量子點(diǎn)的形成機(jī)理和發(fā)光機(jī)理進(jìn)行了闡述，通過(guò)量子點(diǎn)的材料在白光LED中的應(yīng)用明確了熒光量子點(diǎn)需要采用原位合成的方法制備硅樹(shù)脂，通過(guò)固化后形成了復(fù)合薄膜。通過(guò)具體的技術(shù)應(yīng)用來(lái)改善量子點(diǎn)的分散問(wèn)題，使合成的量子點(diǎn)復(fù)合材料能夠更好的應(yīng)用于制備白光LED的要求，通過(guò)熒光量子點(diǎn)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(diǎn)? 熒光材料? 白光LED? 原理? 應(yīng)用

量子點(diǎn)是一種人為的半導(dǎo)體納米材料，導(dǎo)帶和價(jià)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(shí)，性能上就發(fā)生了重大的變化。在過(guò)去對(duì)量子點(diǎn)的研究過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)通過(guò)溫度濃度等方式來(lái)控制量子點(diǎn)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(diǎn)已經(jīng)應(yīng)用在商業(yè)顯示器的領(lǐng)域中，通過(guò)技術(shù)上的改善量子點(diǎn)熒光材料在白光LED中的應(yīng)用，獲得了理論和實(shí)踐上的重要突破。

1? 量子點(diǎn)材料的原理和特性

1.1 量子點(diǎn)的概念

量子點(diǎn)（quantum dot）其實(shí)是一種納米級(jí)別的半導(dǎo)體，通過(guò)對(duì)這種納米半導(dǎo)體材料施加一定的電場(chǎng)或光壓，它們便會(huì)發(fā)出特定頻率的光，而發(fā)出的光的頻率會(huì)隨著這種半導(dǎo)體的尺寸的改變而變化，因而通過(guò)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(lèi)似于自然界中的原子或分子，因而被稱為量子點(diǎn)（如圖1所示）。

1.2 量子點(diǎn)的材料特性

量子點(diǎn)的發(fā)射光譜是通過(guò)改變量子點(diǎn)的大小來(lái)控制的，通過(guò)改變化學(xué)組成實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)的尺寸變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同尺寸量子點(diǎn)的發(fā)光譜覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)。發(fā)射波長(zhǎng)可以從510nm到660nm，而硅量子點(diǎn)和其他量子點(diǎn)的發(fā)光可以到近紅外區(qū)，量子點(diǎn)具有光穩(wěn)定性的良好效應(yīng)，量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度比較好具有較好的穩(wěn)定性。通過(guò)量子點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)物體長(zhǎng)時(shí)間的觀察效應(yīng)，根據(jù)細(xì)胞中生物分子長(zhǎng)期互作用的原理，可以發(fā)現(xiàn)量子點(diǎn)比離子鍵更有光的穩(wěn)定性，量子點(diǎn)擁有較寬的激發(fā)譜和窄的發(fā)射譜，在同一個(gè)發(fā)光源可以對(duì)不同的量子點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，能夠極大促進(jìn)在熒光標(biāo)記中的應(yīng)用，量子點(diǎn)有窄而對(duì)稱的熒光發(fā)射峰型，在與其他物質(zhì)使用的時(shí)候不容易出現(xiàn)光譜交疊的現(xiàn)象。量子點(diǎn)與其他生物的相容性較好，經(jīng)過(guò)化學(xué)的修飾以后進(jìn)行特異性連接，對(duì)生物體的危害較小，在各種量子點(diǎn)中，硅量子點(diǎn)是應(yīng)用最廣泛的物質(zhì)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)有機(jī)熒光染料和熒光壽命僅為幾納秒，而通過(guò)直接帶隙的量子點(diǎn)熒光壽命可以達(dá)到數(shù)十納秒，量子點(diǎn)的激發(fā)光譜寬，而且分布較廣，發(fā)射光譜較窄而且對(duì)稱，熒光壽命較長(zhǎng)量子點(diǎn)是理想的熒光探針。

2? 量子點(diǎn)熒光材料在白光LED中的應(yīng)用

量子點(diǎn)材料的制備主要要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求進(jìn)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(guò)稀土熒光粉制備白光LED，在LED點(diǎn)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(guó)家對(duì)于稀土的控制產(chǎn)量，非常嚴(yán)格，就會(huì)導(dǎo)致了稀土熒光粉的價(jià)格上升，在材料制備的過(guò)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(dá)到的，通過(guò)量子點(diǎn)作為新型的無(wú)機(jī)納米材料作為光轉(zhuǎn)換材料用于制備白光LED，量子點(diǎn)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(diǎn)制備更加符合要求，這是量子點(diǎn)優(yōu)異性能的主要表現(xiàn)。量子點(diǎn)的制備方法可以有物理方法和化學(xué)方法，合成共價(jià)健是量子點(diǎn)，如硅量子點(diǎn)時(shí)由物理方法為主，而在合成具有離子鍵的量子點(diǎn)，如硫化鎘量子點(diǎn)時(shí)主要采用的是化學(xué)方法，在具體的方法中采用的是膠體化學(xué)方法在有機(jī)體中合成，另一種方法是水溶液中合成，其中金屬有機(jī)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(diǎn)，由于CdSe納米顆粒不溶于甲醇，可以加入過(guò)量甲醇，通過(guò)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(jiǎn)便，成本低，表明性質(zhì)可控的優(yōu)點(diǎn)。水相直接合成水溶性量子點(diǎn)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(diǎn)。評(píng)價(jià)LED發(fā)光質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)主要是色坐標(biāo)顯色指數(shù)色溫，發(fā)光效率，色澤標(biāo)示顏色的坐標(biāo)需要根據(jù)光源的光譜分布和基本規(guī)則計(jì)算而得出，純正的白光色標(biāo)為（0.33，0.34），顯色指數(shù)是光源對(duì)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(gè)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(guò)原位合成方法制備了硅樹(shù)脂固化至成功，固化以后將量子點(diǎn)與其合成通過(guò)加入三甲氧基硅烷進(jìn)行表面性質(zhì)改變，量子點(diǎn)就會(huì)在硅樹(shù)脂中分散而制備的復(fù)合量子點(diǎn)復(fù)合薄膜在量子點(diǎn)不吸收的波段，透過(guò)率就會(huì)接近100%，而且具有良好的熱穩(wěn)定性制備好的量子點(diǎn)復(fù)合材料用于封裝LED芯片時(shí)，改變了黃綠光量子點(diǎn)的用量，白光LED的色溫能夠達(dá)到3692-5311k，發(fā)光的效率最高能夠達(dá)到? 94.321m/W，而加入了紅光量子點(diǎn)后，顯色指數(shù)能夠明顯提高，白光LED的整體性能就可以進(jìn)一步提高相關(guān)性能。

3? 結(jié)語(yǔ)

量子點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的形成機(jī)理和發(fā)光機(jī)理，需要明確其組分和尺寸以及光學(xué)性能的要求。在研究的過(guò)程中，確認(rèn)好實(shí)驗(yàn)的時(shí)間以及相關(guān)輔助材料的應(yīng)用。量子點(diǎn)材料可以應(yīng)用在更廣泛的領(lǐng)域，量子點(diǎn)作為電致發(fā)光材料應(yīng)用在LED器件上，實(shí)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(diǎn)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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