试论量子点荧光材料在白光LED中的应用

来源:用户上传      作者:崔磊 何华强 麦杰平

　　摘   要：荧光量子点是新型无机的纳米材料，因其特殊的性质受到了广泛的关注。荧光量子点在太阳能电池发光二极管和生物标记等方面有重要的应用价值。在本文的研究中，主要核心在于量子点在白光LED方面的应用，对量子点的形成机理和发光机理进行了阐述，通过量子点的材料在白光LED中的应用明确了荧光量子点需要采用原位合成的方法制备硅树脂，通过固化后形成了复合薄膜。通过具体的技术应用来改善量子点的分散问题，使合成的量子点复合材料能够更好的应用于制备白光LED的要求，通过荧光量子点的技术应用使LED的显色指数明显提高。
　　关键词：量子点  荧光材料  白光LED  原理  应用
　　量子点是一种人为的半导体纳米材料，导带和价带之间的带隙宽度是半导体材料的重要参数，由于材料本身的性质决定的半导体的带宽度是固定的，在纳米半导体的颗粒尺寸小于10nm时，性能上就发生了重大的变化。在过去对量子点的研究过程中可以发现通过温度浓度等方式来控制量子点的组分尺寸和形状，能够具有较高的荧光量子效率，而且光的稳定性和热稳定性都非常好，量子点已经应用在商业显示器的领域中，通过技术上的改善量子点荧光材料在白光LED中的应用，获得了理论和实践上的重要突破。
　　1  量子点材料的原理和特性
　　1.1 量子点的概念
　　量子点（quantum dot）其实是一种纳米级别的半导体，通过对这种纳米半导体材料施加一定的电场或光压，它们便会发出特定频率的光，而发出的光的频率会随着这种半导体的尺寸的改变而变化，因而通过调节这种纳米半导体的尺寸就可以控制其发出的光的颜色，由于这种纳米半导体拥有限制电子和电子空穴（Electron hole）的特性，这一特性类似于自然界中的原子或分子，因而被称为量子点（如图1所示）。
　　1.2 量子点的材料特性
　　量子点的发射光谱是通过改变量子点的大小来控制的，通过改变化学组成实现量子点的尺寸变化，进而实现不同尺寸量子点的发光谱覆盖整个可见光区。发射波长可以从510nm到660nm，而硅量子点和其他量子点的发光可以到近红外区，量子点具有光稳定性的良好效应，量子点的荧光强度比较好具有较好的稳定性。通过量子点可以实现物体长时间的观察效应，根据细胞中生物分子长期互作用的原理，可以发现量子点比离子键更有光的稳定性，量子点拥有较宽的激发谱和窄的发射谱，在同一个发光源可以对不同的量子点进行检测，能够极大促进在荧光标记中的应用，量子点有窄而对称的荧光发射峰型，在与其他物质使用的时候不容易出现光谱交叠的现象。量子点与其他生物的相容性较好，经过化学的修饰以后进行特异性连接，对生物体的危害较小，在各种量子点中，硅量子点是应用最广泛的物质，根据实验可以发现有机荧光染料和荧光寿命仅为几纳秒，而通过直接带隙的量子点荧光寿命可以达到数十纳秒，量子点的激发光谱宽，而且分布较广，发射光谱较窄而且对称，荧光寿命较长量子点是理想的荧光探针。
　　2  量子点荧光材料在白光LED中的应用
　　量子点材料的制备主要要根据实际应用的要求进行控制，在白光LED中主要采用的材料为稀土荧光粉作为荧光转换材料，通过稀土荧光粉制备白光LED，在LED点亮之后，发光亮度呈现出较高的状态，光谱中缺少红色部分，其显色指数低，色温太高，由于稀土不可再生，国家对于稀土的控制产量，非常严格，就会导致了稀土荧光粉的价格上升，在材料制备的过程中，各种荧光粉在混合生成之后，兼容性不能很好的解决。在材料制备中可以发现高效率，低色温高亮度的要求是很难达到的，通过量子点作为新型的无机纳米材料作为光转换材料用于制备白光LED，量子点就具有很高的荧光效率，发射的光谱连续性可以得到有效控制，而且具有很宽的吸收谱，用量子点制备更加符合要求，这是量子点优异性能的主要表现。量子点的制备方法可以有物理方法和化学方法，合成共价健是量子点，如硅量子点时由物理方法为主，而在合成具有离子键的量子点，如硫化镉量子点时主要采用的是化学方法，在具体的方法中采用的是胶体化学方法在有机体中合成，另一种方法是水溶液中合成，其中金属有机合成法主要是采用。二甲基（Cd（CH3）2）、三辛基硒化膦（SeTOP）作为前体，三辛基氧化膦（TOPO）作为配位溶剂，合成了高效发光的硒化镉（CdSe）量子点，由于CdSe纳米颗粒不溶于甲醇，可以加入过量甲醇，通过离心分离得到CdSe纳米颗粒，其量子产率约为10%。另一种方法，水相直接合成法具有操作简便，成本低，表明性质可控的优点。水相直接合成水溶性量子点技术主要以水溶性巯基试剂作稳定剂。用氨基葡聚糖（aminodextran，Amdex）作稳定剂，在室温下合成了CdSe量子点。评价LED发光质量的标准主要是色坐标显色指数色温，发光效率，色泽标示颜色的坐标需要根据光源的光谱分布和基本规则计算而得出，纯正的白光色标为（0.33，0.34），显色指数是光源对物体的显色能力，数值越小，光源的显色性就越差。色温是某个黑体加热到一定程度发光的颜色和光源发出的颜色是否相同。发光效率是光源发出的光的总通量与消耗的电功率的比值。在具体应用中，通过原位合成方法制備了硅树脂固化至成功，固化以后将量子点与其合成通过加入三甲氧基硅烷进行表面性质改变，量子点就会在硅树脂中分散而制备的复合量子点复合薄膜在量子点不吸收的波段，透过率就会接近100%，而且具有良好的热稳定性制备好的量子点复合材料用于封装LED芯片时，改变了黄绿光量子点的用量，白光LED的色温能够达到3692-5311k，发光的效率最高能够达到  94.321m/W，而加入了红光量子点后，显色指数能够明显提高，白光LED的整体性能就可以进一步提高相关性能。
　　3  结语
　　量子点材料具有性能上的良好效果，在白光LED的具体应用中可以发现，量子点材料具有宽的激发谱，窄的发射谱，光的稳定性能比较好，在应用中需要注意水和热等相关因素的材料应用，量子点的形成机理和发光机理，需要明确其组分和尺寸以及光学性能的要求。在研究的过程中，确认好实验的时间以及相关辅助材料的应用。量子点材料可以应用在更广泛的领域，量子点作为电致发光材料应用在LED器件上，实现了荧光技术在生物技术领域上的应用，采用量子点制备出的复合材料，使得白光LED更加符合现代化工业的要求。
　　参考文献
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