Flüssige, ungiftige photolumineszierende Nanomaterialien für Weißlicht emittierende Dioden mit hoher Farbqualität

Hintergrund

Leuchtdioden (LEDs) haben aufgrund ihrer langen Lebensdauer, hohen Effizienz und energiesparenden Eigenschaften, die sie zu einem der besten Kandidaten für die Festkörperbeleuchtung machen, große Aufmerksamkeit erlangt. Weiße LEDs (WLEDs) auf GaN-basierten Chips haben aufgrund des Herstellungsfortschritts große Effizienzsteigerungen gezeigt [1,2,3]. Die Quantenpunkt-(QD-)Technologie auf GaN-Nitrid-Basis hat sich für verschiedene Anwendungen wie Displays, Beleuchtung mit Leuchtdioden (LED) und biomedizinische Markierungen in hohem Maße geeignet entwickelt. Insbesondere wurde in zahlreichen Studien eine hervorragende Verwendung von QDs bei der Herstellung weißer LEDs nachgewiesen [4,5,6]. Die charakteristischen Eigenschaften von QDs, wie ihre schmale Emissionslinienbreite, hohe Quantenausbeute und größenabhängig abstimmbare Bandlücke, machten sie zu ausgezeichneten Kandidaten für die LED-Technologie [7,8,9,10,11]. Die gebräuchlichsten II–VI-Halbleiter-QDs wie Cadmium- und Selen-Verbindungskerne (z. B. CdZnS, CdSe, CdZnSe und ZnSe) mit ein- oder mehrschaligen LEDs haben eine hohe Lichtausbeute [12]. Die hohen Synthesekosten und die Schwermetalltoxizität dieser QD-Materialien behindern jedoch ihre großtechnische Produktion und werfen Bedenken hinsichtlich der Umweltverschmutzung auf [13]. Die alternativen Materialien auf Basis von Silizium (Si) und Kohlenstoff, wie Graphen, sind für den Menschen vorzugsweise ungiftig und umweltfreundlich. Darüber hinaus zeigen QDs mit eingebautem Si eine signifikante Lichtemission mit hoher Photolumineszenz (PL)-Effizienz unter starkem Einschluss [14,15,16,17,18].

Graphenoxid-Quantenpunkte (GQDs) besitzen die sp2-Domäne als Transportmobilitätsvermittler sowie ungeordnete sp3-hybridisierte Kohlenstoff- und Sauerstoffatome. Daher können die Emissionswellenlängen aufgrund des Vorhandenseins dieser ungeordneten sauerstoffhaltigen Randzustände von Blau nach Grün moduliert werden [19,20,21,22]. Die abstimmbaren Fluoreszenzemissionen von QDs können für Anwendungen in Geräten wie LEDs, Fotodioden, Fotodetektoren, Bioimagern und Photovoltaikzellen genutzt werden [23,24,25]. Neben der Sauerstofffunktionalisierung von GQDs kann die Stickstoffdotierung durch Bildung kovalenter Bindungen mit sp2-Kohlenstoff in der aromatischen Kette zu einer stabilen Emission führen. Es wurden mit Stickstoff dotierte GQDs entwickelt, die sowohl p- als auch n-leitende Leitfähigkeiten aufweisen, wie durch elektrochemische Mott-Schottky-Analyse bestätigt wurde [26]. Die wichtigsten Ansätze zur Synthese von GQDs können als Top-Down- oder Bottom-Up-Techniken klassifiziert werden. Im Vergleich zum Bottom-Up-Ansatz ist der Top-Down-Ansatz für die Herstellung von GQDs für die Massenproduktion vorzuziehen, da er keine langwierigen Reinigungsschritte zur Entfernung nicht umgesetzter Vorläufermoleküle erfordert. Der Top-Down-Ansatz erzeugt jedoch eine geringere Quantenausbeute (weniger als 50%) von GQDs als der Bottom-Up-Ansatz [27, 28]. Infolgedessen sind verschiedene Optimierungen in Top-Down-Herstellungsprozessen von GQDs erforderlich, wie z. B. Größenkontrolle, chemische Dotierung oder Oberflächenmodifikation. Die vorliegende Studie demonstriert eine Stickstoff-dotierte GQD-Methode zur Reparatur von Defekten, die während eines Top-Down-Prozesses auftreten. Einige elektronenspendende Stickstofffunktionalitäten können in die GQDs und hydrothermale Behandlungen mit NH₃ . eingebaut werden um die Bildung von kohlenstoffhaltigen Gruppen zu vermeiden, die die Analyse der Stickstofffunktionalitäten erschweren könnten [29].

In dieser Studie wurden Photolumineszenz (PL)-Studien von ungiftigen QD-basierten LEDs unter Verwendung von GQDs und porösen Si (P-Si)-QDs demonstriert. Die PL-basierten QD-LEDs bieten gegenüber elektrolumineszenten (EL) QD-LEDs einen kostengünstigen und einfachen Herstellungsansatz [30, 31]. Stickstoff-dotierte GQDs wurden verwendet, um ungiftige, neutralweiße LEDs herzustellen. Die meisten GQDs emittierten jedoch kurzwelliges Licht (blau und grün) unter ultravioletter (UV) Anregung. Dies ist auf den Quanteneinschlusseffekt (< 10 nm) zurückzuführen, der normal zur Graphenebene ist, und die Verschiebung der Emissionen zu längeren Wellenlängen durch Einstellen der Größe der Graphenkristalle war schwierig [32]. Daher wurden Si-QDs auf den Oberflächen von P-Si-Nanopartikeln eingebettet, deren Defekte zu Fluoreszenz führten [33]. Die P-Si-Nanokristalle können langwellige Emissionen aufweisen, um das Fehlen langwelliger Banden in den GQD-Emissionsspektren zu kompensieren, und können somit warmweißes Licht liefern. Laut Literaturübersicht trug die Gruppe von L. T. Canham wesentlich zur Untersuchung mesoporöser Si-Schichten mit hoher Porosität für sichtbare (rote) Photolumineszenz bei Raumtemperatur bei [34]. Die Herstellung von P-Si-QDs kann in zwei Ansätze eingeteilt werden, von unten nach oben und von oben nach unten, ähnlich wie bei GQD-Fertigungsprozessen. Diese Studie wählt einen Top-Down-Ansatz zur Herstellung der P-Si-QDs, da er für die Massenproduktion geeignet ist. Schließlich wurden diese beiden Arten von Gerätestrukturen neutralweiße und warmweiße LEDs unter Verwendung von Dispensier- und Flüssigkeitsgehäuseprozessen hergestellt, zeigten einen ausgezeichneten Farbwiedergabeindex (CRI) und Lichtausbeutewerte und produzierten auch [34,35,36].

Methoden und Materialien

Synthese stickstoffdotierter GQDs

Zunächst wurden Graphenoxid(GO)-Schichten unter Verwendung von natürlichem Graphitpulver (SP-1, Bay Carbon, USA) nach der Hummers-Methode hergestellt, die wie folgt erklärt werden kann [36]:5 g Graphitpulver, NaNO₃ , und KMnO₄ wurden im Verhältnis 2:1:3 in 150 ml von 18 M H₂ . gemischt SO₄ und die Temperatur der Mischung wurde unter 20 °C gehalten. Der Graphit wurde durch kontinuierliches Rühren der Mischung bei 35 °C für 4 Stunden oxidiert, wonach 230 ml Wasser langsam unter Rühren bei 98 °C für 15 Minuten zugegeben wurden. Anschließend 12 ml H₂ O₂ wurde unter ständigem Rühren bei Raumtemperatur zu der Mischung gegeben und das Produkt wurde mehrmals gewaschen, um GO-Blätter zu erhalten. Die erhaltenen GO-Schichten wurden mit Stickstoff dotiert, indem sie in 30 ml NH₃ . oxidiert wurden (60 % Konzentration) bei 500 °C für 12 h. Dann wurde die resultierende Mischung 10 h lang mit Ultraschall gerührt und bei 140 °C gehalten, um restliches HNO₃ . zu entfernen . Das Endprodukt wurde in entionisiertem Wasser dispergiert und zentrifugiert, um den Niederschlag zu entfernen. Als Ergebnis erhielten wir die Stickstoff-Graphenoxid-Punkte (NGOD)-Suspensionen [37]. Diese Suspensionen wurden unter Verwendung von Zentrifugationsröhrchen (VS20S01 und VS15RH91, Satorius, Deutschland) gesiebt, um GQDs zu erhalten. Die Zentrifugationsröhrchen waren mit Polyethersulfonfiltern mit Cut-off-Molekulargewichten von 30, 10 und 3 kDa ausgestattet, um GQD3, GQD2 bzw. GQD1 zu produzieren. Die GQD-Suspension wurde durch Membranen geleitet, die in einer Reihenfolge abnehmender Porengröße angeordnet waren, und in seriellen Stufen gesammelt, um GQDs unterschiedlicher Größe zu erhalten.

Herstellung von P-Si QD-Nanopartikeln

In Ethylacetat dispergierte kolloidale P-Si-QD-Nanopartikel wurden wie in unserer kürzlich veröffentlichten Studie [36,37,38] beschrieben synthetisiert. Zuerst wurde ein 6-Zoll-Si-Wafer vom p-Typ elektrochemisch geätzt, um eine P-Si-Schicht herzustellen, auf der Cluster von nanoskaligen (< 5 nm) P-Si-QDs an mikrogroßen (1–10 μm) Si-Kernen angebracht wurden. Der Si-Wafer wurde mit verdünntem Fluorwasserstoff (HF) behandelt und sofort in desoxygeniertes 10-Undecen-1-ol (UDA) getaucht, um eine photochemische Hydrosilylierungsreaktion abzuschließen, bei der die endständige ungesättigte Doppelbindung von UDA mit Si-Hydrid (Si-H ), was zu einer Passivierung von Si-C-gebundenen Carboxylaten auf P-Si-QDs führt. Anschließend wurde die P-Si-Schicht mechanisch pulverisiert und das resultierende Si-Pulver wurde in Isopropanol zum Hochenergie-Kugelmahlen dispergiert. Das aus dem Mahlen gewonnene Kolloid wurde selektiv mit einem wässrigen Ätzmittel aus HNO₃ . geätzt und HF zum Wegätzen der nichtstrahlenden massiven Si-Kerne, die mit dem Si-Oxid bedeckt sind, während die PL P-Si-QDs mit der Si-C-gebundenen Carboxylatpassivierung größtenteils erhalten bleiben. Dieser Schritt ergab ungefähr 25 mg pro Wafer an rot emittierenden Hydroxyl-terminierten P-Si-QD-Nanopartikeln (der tatsächliche Si-QD beträgt ungefähr 10 nm, ungefähr 40 nm bis 500 nm im Durchmesser) mit hoher Monodispersität und hoher PL-Quanteneffizienz (45– 55%). Schließlich wurden die Hydroxylgruppen der P-Si-QD-Nanopartikel mit p-Toluolsulfonylchlorid aktiviert und dann mit 2,2'-(Ethylendioxy)diethanthiol substituiert, um thiolterminierte P-Si-QD-Nanopartikel herzustellen. Die resultierenden P-Si QD-Nanopartikel bildeten eine einheitliche und stabile Suspension in Ethylacetat, die zur optischen Charakterisierung verwendet wurde [38].

Geräteherstellung

Zwei Arten von Wirtsstrukturen, d. h. die Abgabestruktur und die Flüssigkeitsstruktur, wurden verwendet, um weiße GQD- und GQD/P-Si-QD-LEDs herzustellen. Die hergestellten Strukturen wurden mit 45-mm-UV (365 nm) gepumpt. Zunächst wurden mit Stickstoff dotierte GQDs (Gew.-% in Wasser) mit unterschiedlichen Emissionen – Blau, Blaugrün und Kartarot – hergestellt und als GQD1, GQD2 bzw. GQD3 bezeichnet. Dann wurden GQD1, GQD2 und GQD3 in unterschiedlichen Verhältnissen (z. B. 4:1:2) gemischt, um die optimale Zusammensetzung zum Erhalten neutralweißer Emissionen zu bestimmen; die unter Verwendung der GQD-Lösung hergestellte LED und die Dosierpackung 5070 wurden als Referenz verwendet. P-Si QDs wurden hergestellt und mit GQD1, GQD2 und GQD3 (GQD1:GQD2:GQD3:P-Si QD = 4:1:2:10) gemischt, um weiße LEDs als Quellen für warmweißes Licht herzustellen. Unsere vorherige Studie bestätigte, dass die flüssige Struktur günstiger ist als die konventionelle Struktur [35]. In dieser Studie haben wir eine neue Flüssigkeitsstruktur entwickelt, um weiße GQD- und GQD/P-Si-QD-LEDs herzustellen. Die neutralweißen LEDs vom GQD-Flüssigkeitstyp wurden wie folgt hergestellt:Zunächst verwenden wir einen 2,5 mm hohen Glasring mit Außen- und Innendurchmessern von 8 mm bzw. 6 mm. Danach bohrten wir ein kleines Loch auf der Oberseite des Glasrings. Schließlich wurde eine Glasbox zusammengesetzt, indem zwei dünne Glasplatten mit dem Glasring in der Mitte gestapelt wurden (Abb. 1a). Der Raum innerhalb des Glaskastens wurde leer gelassen, um den Luftstrom zu fördern. Schließlich wurde eine GQD/P-Si-QD-Lösung in die Glasbox eingespritzt, um die Flüssigkeitspackung herzustellen. Die QDs injizierten durch das Glasloch und versiegelten es erneut mit einer Glasplatte. Das QD-Paket vom Flüssigkeitstyp wurde auf ein 5070-UV-LED-Paket (5 mm  ×  7 mm) gesetzt und die Emissionswellenlänge betrug 365 nm. Das LIV-Kurvenspektrum zeigte, dass die Einschaltspannung etwa 3 V betrug, was in Fig. 4c gezeigt ist. Für die Herstellung der Dosierpackung wurde das konventionelle Dosier-QD-LED-Verfahren angewendet [34, 39]. Im Fall des Dispensing-QD-Package-Ansatzes haben wir zuerst das PMMA und die QDs gemischt, um die verfestigte Struktur im LED-Package zu erzeugen. Dazu haben wir die Silikonkleber-Hälfte in die Verpackung gefüllt, um das QD-Gemisch von der Wärmequelle (Blue Chip) fernzuhalten und den QD-Abbau zu verhindern. Danach wurde das Volumenverhältnis unserer Abgabeprobe als 2:1 von QD-Mischung/PMMA genommen und dann die Aufschlämmung abgegeben, um den verbleibenden Raum in der Verpackung auszufüllen. Danach wurde die endgültige Struktur 2–3 Minuten lang bei 60 °C gehalten, um sich zu verfestigen. Auf diese Weise wurde der PMMA/QD-Mischfilm im LED-Gehäuse abgeschieden.

Oberes Feld:a (links) Baugruppe aus Glas, die ein flüssiges P-Si-QD und ein stickstoffdotiertes GQD zeigt und (rechts) ein Netzwerk aus P-Si-QDs und stickstoffdotierten GQDs. Unteres Bild:Absorptions- (schwarze durchgezogene Linie), PL-Anregungs- (gestrichelte Linie) und PL-Emissionsspektren (durchgezogene Linie) von b GQD1, c GQD2, d GQD3 und e P-Si QD

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1a zeigt das Netzwerk aus P-Si-QDs (linkes Bild) und stickstoffdotierten GQDs (rechtes Bild) sowie das QD-LED-Gehäuse vom Flüssigkeitstyp. P-Si-QDs mit Biosonden können mit neuartigen Top-Down-Verfahren hergestellt werden, darunter das elektrochemische Ätzen auf einem kristallinen Si-Wafer [38, 40]. Abbildung 1b–e zeigt die Absorptions-, PL-Anregungs- und Emissionsspektren von GQD1-, GQD2-, GQD3- und P-Si-QDs. Die schwarzen und roten gestrichelten Linien zeigen die Absorptions- bzw. Anregungsspektren der QDs an. Die PL-Spektren der untersuchten QDs deckten einen weiten Teil des sichtbaren Bereichs ab. Die Werte für die volle Halbwertsbreite (FWHM) von GQD1, GQD2, GQD3 und P-Si-QDs betrugen ungefähr 370, 325, 330 bzw. 250 nm Wellenlänge. Die starken Emissionsbanden wurden bei 465 und 488 nm für GQD1 und bei 535 nm für GQD2 nach einer Anregung von 327 nm beobachtet. Für zwei starke Anregungspeaks (311 und 465 nm) wurde ein Emissionswellenlängenpeak bei 557 nm beobachtet, der GQD3 zugeschrieben wurde, und ein starker Emissionspeak bei 606 nm von P-Si-QDs wurde aufgrund des Anregungspeaks bei 374 nm ausgelöst. Aus den PL-Ergebnissen lässt sich darstellen, dass eine Kurzwellenpumpe die bevorzugte Anregungsquelle war, da die Absorption und Anregung aller Leuchten im UV-Bereich am stärksten war. Daher wurde eine 365-nm-UV-LED als geeignete Quelle gewählt, um eine hohe Konversionseffizienz in den untersuchten QDs zu erzielen. Die Quantenausbeuten von GQD1, GQD2, GQD3 und P-Si QDs bei 365-nm-Anregung betrugen ungefähr 1,4 %, 1 %, 9,1 % bzw. 50 %. Das Ergebnis zeigt, dass die meisten GQD-NPs einschichtig oder zweischichtig waren und die P-Si-QDs ungefähr 40–500 nm groß waren, was auf eine mehrschichtige Verbundstruktur hinweist. Abbildung 2a, b stellen die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und hochauflösende TEM-Bilder dar, die die Morphologie und Kristallstruktur der GQD-Mischung verdeutlichen. Die Größe der Graphen-QDs wurde mit 5 nm ermittelt, was dem Abstand der (\( 1\overline{1}00\))-Ebene und einem Gitterabstand von 0,22 nm entspricht [41]. Abbildung 2c ist ein Rasterelektronenmikroskop (REM)-Bild, das die Draufsicht von Si-Partikeln zeigt. Die Partikelgröße lag ungefähr im Bereich von 40–500 nm. Außerdem wurden die wenigen P-Si-QDs mit einer Größe von ungefähr 10 nm auf den Oberflächen von Si-Partikeln gefunden.

Transmissionselektronenmikroskopische und rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von NPs. a Morphologie der Graphen-QD-Mischung mit einer Partikelgröße von ungefähr 5 nm, charakterisiert durch a TEM und b hochauflösendes TEM. c SEM-Bild (Draufsicht) der 40 nm–500 nm großen Siliziumpartikel

Die LEDs, die in dieser Studie hochwertiges weißes Licht aussendeten, bestanden aus mehreren Nanomaterialien mit unterschiedlichen Emissionsspitzen, um einen breiten Farbbereich abzudecken. Um die Monochromatizität dieser emittierenden Materialien zu untersuchen, wurden die flüssigen GQD1-, GQD2-, GQD3- und P-Si-QD-LED-Packages mit einem 365-nm-UV-Chip gepumpt und ihre Emissionsspektren in Abb. 3 aufgezeichnet. Die Spektren von GQD1 wies einen Emissionspeak bei 440 nm auf und bedeckte einen großen Teil des blauen Wellenlängenbereichs, um blaue Strahlen zu ergeben, wie in Abb. 3a gezeigt. Der blaue Wellenlängenbereich im Spektrum von GQD2 war etwas kleiner als der von GQD1. Folglich emittierte flüssiges GQD2 blaugrünes Licht mit einem Emissionspeak bei 538 nm (Abb. 3b). Die Emissionsspektren von flüssigem GQD3 hatten einen starken gelben Peak (550 nm), der bewirkte, dass GQD3 Chartreuse-Licht emittiert, wie in Abb. 3c gezeigt. Nach dem UV-Pumpen zeigt Abb. 3d, dass das flüssige P-Si-QD-Paket orangefarbene Strahlen mit einem starken Peak bei 636 nm emittiert. Die Monochromatizität von QD-LEDs zeigte unterschiedliche Wellenlängen mit merklichen Veränderungen für die PL-Analyse (vgl. Abb. 1b–d). Die Hauptursache für die unterschiedlichen Emissionswellenlängen war die unterschiedliche Pumpquelle. Als Anregungslichtquelle wurde eine 365-nm-UV-LED verwendet; dies beinhaltete eine Anregungswellenlänge von 327 nm für GQD1 und GQD2, eine Wellenlänge von 311 nm für GQD3 und eine Wellenlänge von 374 nm für P-Si-QDs [42, 43]. Nach der Bildung von zusammengesetzten Mischungen zeigten alle Graphen- und P-Si-QDs breite Spektralbänder, die hochwertiges weißes Licht mit hohen CRI-Werten erzeugten.

Spektren des monochromen QD-LED-Gehäuses vom Flüssigtyp für a GQD1, b GQD2, c GQD3 und d P-Si QD bei einem Strom von 60 mA

Abbildung 4a, b zeigen die Spektren von Dosier- und weißen PL-QD-LEDs vom Flüssigkeitstyp bei 60 mA. Die GQD-Flüssig-LED lieferte neutralweißes Licht mit einer korrelierten Farbtemperatur (CCT) von 5.600 K mit einer Lichtausbeute von etwa 20,3 lm/W; die Emissionsspektren bestehen aus einem Peak, der ungefähr bei 548 nm zentriert ist. Das GQD/P-Si-QD-Flüssig-LED-Gerät lieferte warmweißes Licht mit einem CCT von 3900 K und einer Lichtausbeute von ungefähr 19,1 lm/W mit einem Emissionspeak bei 625 nm in Abb. 4a. Die unter Verwendung der GQD-Lösung und der GQD/P-Si-QD-Mischungen hergestellten Dosierproben zeigten CCT-Werte von 6300 und 4300 K und Emissionspeaks wurden bei ungefähr 642 nm bzw. 611 nm Wellenlänge erhalten. Als Lichtausbeute wurden 16,2 lm/W bzw. 14,5 lm/W für neutralweiße GQD-LEDs und GQD/P-Si QD für warmweiße LEDs ermittelt. Im Vergleich zur Flüssigkeitsprobe sind die PL-Emissionspeaks der Dosierproben aufgrund der QD-Selbstaggregation rotverschoben, die durch das Fehlen einer Trägerlösung verursacht wird [44,45,46]. Darüber hinaus aggregieren die kleinen Partikel zu größeren Partikeln, wodurch die Energieübertragung diversifiziert wird [47,48,49,50]. Andererseits kann die Verwendung einer Mischung von QDs die unbeabsichtigte Energieübertragung zwischen verschiedenen Farb-QDs verursachen. Der ausgezeichnete CRI einer weißen LED konnte durch das Energieübertragungsphänomen moduliert werden, verursachte jedoch die Lichtreduktion [51]. Wenn wir erwarteten, die unbeabsichtigte Energieübertragung zu verhindern, könnte die durch Drucken hergestellte Side-by-Side-Struktur-Flüssigkeits-QD-LED in Zukunft geplant werden, was auf die Forschung von M. K. Choi et al. [52] bezogen wurde. Die LIV-Kurvenspektren von ungiftigen w-LEDs sind in Abb. 4c aufgetragen. Die maximale Ausgangsleuchtdichte der w-LEDs betrug etwa 552 cd/m ² bei 230 mA für die CQD-w-LED vom Flüssigkeitstyp, und die abgegebenen Proben hatten niedrigere Luminanzwerte. Die Einschaltspannung betrug etwa 3 V und alle Proben wurden mit ähnlicher Eingangsleistung betrieben. Abbildung 4d zeigt den CRI von GQD/P-Si-QD-Dosier- und Flüssigkeitsproben bei aktuellen Injektionswerten im Bereich von 1 bis 300 mA. Das Paket vom Flüssigkeitstyp war stabiler und verhinderte die Selbstaggregation und die spektrale Rotverschiebung, die den CRI aufrechterhielt. Wir haben das Verhältnis der QD-Mischung modifiziert, um diese hervorragende Farbqualität zu erreichen. Die warmweißen Flüssig-LEDs hatten einen ausgezeichneten CRI von 95. Die Flüssig-Typ-Proben weisen einen höheren allgemeinen CRI (Ra)-Wert im Vergleich zu den Dosierproben auf. Außerdem ist der niedrigere CRI der abgegebenen Proben auf die QD-Selbstaggregation und die spektrale Rotverschiebung der abgegebenen Probe zurückzuführen. Das Fehlen von gelben und grünen Emissionen und die Verstärkung der orangen und roten Emissionen verringerte Ra [32]. Wenn Ra nicht verringert wurde, konnte die Verwendung der Flüssigkeitspackung die Formen der Emissionsspektren beibehalten. Die CIE-Chromatizitätskoordinaten der Flüssigkeits- und Abgabeproben lagen nahe der Planckschen Ortskurve. Die CRI-Werte für R1–R9 folgen dem abnehmenden Trend. Dies ist auf das Rotverschiebungsphänomen zurückzuführen, das nach dem Dosiervorgang aufgetreten ist. Die weiße GQD/P-Si-QD-LED vom Flüssigtyp zeigte einen hervorragenden R9 (88) bei 3900 K. Die hohen R9-Werte sind wünschenswert, da sie mit starken roten Emissionen verbunden sind, die mit organischem Gewebe in Verbindung stehen [53]. Anhand von CRI-Werten kann hier dargestellt werden, dass die Flüssigkeitsproben besser sind als die Dosierproben. Die abgegebene Probe hat einen niedrigen CRI-Wert aufgrund von Selbstaggregation, Intensitätsreduktion und Rotverschiebung der konformen QD-LEDs. Darüber hinaus wurden verschiedene Studien zu Graphen-QD-LEDs veröffentlicht. Dennoch gibt es nur wenige Studien, die die CRI-Werte von QD-LEDs belegen. Daher wurden in der vorliegenden Studie QD-basierte WLEDs mit hervorragenden CRI-Werten hergestellt, wie in Tabelle 1 gezeigt.

PL-Spektren von (a ) flüssiges Graphen QD bei einem CCT von 5.600 K und flüssiges GQD/ P-Si QD weiße LED bei einem CCT von 3.900 K. b Abgabe von Graphen QD und Graphen/P-Si QD weiße LEDs. c Das LIV-Kurvenspektrum der ungiftigen w-LEDs, die mit 1–300 mA betrieben werden. d CRI-Spektren für GQD + P-Si-Dosierung und Flüssigkeits-LEDs, die mit 1–300 mA betrieben werden

Abbildung 5 stellt die durchschnittliche Oberflächentemperatur und Stromabhängigkeit von weißen LEDs vom Flüssigkeitstyp und der Abgabe dar. Die stromabhängigen Oberflächentemperaturen wurden als durchschnittliche Temperatur über die Geräteoberfläche über einen Zeitraum von 2 min gemessen, wobei das Gerät von 1 bis 250 mA betrieben wurde. Von den beiden präparierten Strukturen wiesen die Dosierproben die niedrigeren Lichtausbeuten und die höheren Oberflächentemperaturen auf; dies wird dem Wärmeeinschluss innerhalb der Verpackung zugeschrieben. Gleichung (1) wurde verwendet, um die Wärmeableitung im Gerät als Differenz zwischen der zugeführten elektrischen Leistung und der gemessenen Lichtintensität zu berechnen:

Durchschnittliche Oberflächentemperatur und Stromabhängigkeit der weißen LEDs vom Flüssigkeitstyp und der Dosierung

wobei P_elektr. ist die eingespeiste elektrische Leistung; P_Hitze und P_Opt. sind die erzeugte Wärmeenergie bzw. die optische Leistung, nachdem die Eingangsleistung eingespeist wurde; Ich_f und V_f sind der Ansteuerstrom bzw. die Durchlassspannung bei LED-Betriebsbedingungen; Ø_v ist der Gesamtlichtstrom; und W_opt ist die Lichtausbeute der optischen Strahlung (LER) der LEDs. Der Hauptgrund für den Unterschied in der Oberflächentemperatur dieser Verpackungen ist der Unterschied in ihren Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten:1,05 W/mK für flüssige Proben, die aus Glas bestehen, und 0,185–0,196 W/mK für die Dosierproben, die aus PMMA bestehen. Der Glasbehälter der Flüssigkeitsproben erleichtert die Wärmeableitung und hat somit eine hohe Lichtausbeute. Somit kann die Verbesserung der Wärmeableitungseigenschaften der Proben die Photonenausgabe verbessern.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir zwei Arten von WLEDs-Vorrichtungsstrukturen vorbereitet, eine ist eine Abgabestruktur und die andere ist eine Flüssigkeitsstruktur unter Verwendung von GQD bzw. GQD/P-Si QD. Die Graphen-QDs und porösen Silizium-QDs haben extrem breite Emissionsbänder. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass Graphen-QDs und w-LEDs auf Basis von Silizium-Nanokristallen ausgezeichnete Werte von CRI (95) und R9 (88) aufweisen. Außerdem weist die Vorrichtungsstruktur vom Flüssigkeitstyp eine um 25 % höhere Lichtausbeute und eine bessere Stabilität im Vergleich zu strukturierten Vorrichtungen auf. Abschließend können wir schlussfolgern, dass die hervorragende Leistung der ungiftigen warmen LEDs vom Flüssigtyp ein großes Potenzial in der Biobildgebung und anderen verwandten Anwendungen wie Beleuchtung und Sensorik bietet.

Abkürzungen

CRI:

Farbwiedergabeindex

GO:

Graphenoxid

GQDs:

Quantenpunkte aus Graphenoxid

LED:

Leuchtdiode

PL:

Photolumineszenz

QDs:

Quantenpunkte

W-LEDs:

Weißlicht emittierende Dioden