Studie zum Farbkompensationseffekt zusammengesetzter orange-roter Quantenpunkte in WLED-Anwendungen

Einführung

Leuchtdioden (LEDs) haben aufgrund ihrer hohen Effizienz, langen Lebensdauer, ihres geringen Stromverbrauchs, ihrer schnellen Reaktionszeit und ihrer hohen Zuverlässigkeit ein bedeutendes Forschungsinteresse in Festkörperbeleuchtungsanwendungen geweckt [1,2,3,4,5, 6]. WLEDs werden normalerweise hergestellt, indem gelb, grün und rot emittierende Leuchtstoffe mit blauen LED-Chips verpackt werden [7,8,9]. Die Vollspektrum-WLEDs verwenden Komposit-Leuchtstoffe mit einem hohen Anteil an rotem Leuchtstoff [10]. Klassische rote Leuchtstoffe haben jedoch eine breite Emission, die einen Lumenverlust im roten Licht emittierenden Bereich verursacht, da das menschliche Auge für Wellenlängen von mehr als 650 nm unempfindlich ist [11].

In letzter Zeit wurden Quantenpunkte (QDs) verwendet, um hochwertige WLEDs herzustellen. Im Vergleich zu klassischen Leuchtstoffen haben QDs einzigartige optische Eigenschaften, wie größenabhängige Wellenlängenabstimmbarkeit, hohe Photolumineszenz-Quantenausbeute und starke Absorption [12,13,14,15,16,17]. Aufgrund der schmal emittierenden Eigenschaften im Rotlichtbereich sind die rot emittierenden QDs besonders nützlich, um den oben erwähnten Lumenverlust zu verhindern und den Farbwiedergabeindex (CRI) von WLEDs zu verbessern [18, 19]. Daher hat sich die Verwendung von QDs zur Kompensation des orange-roten Bereichs zu einer wirksamen Maßnahme zur Verbesserung der Farbqualität von WLEDs entwickelt [20]. Generell lassen sich QD-basierte WLEDs (QWLEDs) in zwei Kategorien einteilen, indem man monochrome oder polychromatische QDs in die LEDs mischt [20,21,22,23]. Xie et al. verwendeten rot emittierende CdSe/CdS/ZnS-QDs, um klassischen roten Leuchtstoff durch grünen LuAG:Ce-Leuchtstoff zu ersetzen, um Hochleistungs-WLED herzustellen [24]. Liet al. stellten QWLEDs her, indem sie eine Mischung aus rotem, gelbem und grünem Licht emittierenden CdZnS/ZnSe-QDs auf dem blau emittierenden GaN-LED-Chip integriert hatten, der einen CRI von 85,2 und eine korrelierte Farbtemperatur (CCT) von 4072 K aufwies [25].

Bis heute werden die Vollspektrum-QWLEDs für Beleuchtungsanwendungen häufig entwickelt, indem breit emittierende grün-gelbe Leuchtstoffe und schmal emittierende monochromatische rote QDs eingebaut werden [24]. Diese QWLEDs bieten eine hervorragende spektrale Kontinuität im grün-gelben Bereich, aber ein klares Tal im orange-roten Bereich. Theoretisch sind die zusammengesetzten QDs aus mehreren monochromen QDs im orange-roten Bereich in der Lage, das Tal zu füllen und die spektrale Kontinuität von QWLEDs weiter zu verbessern. Aufgrund der Selbstabsorption und des Fluoreszenzresonanzenergietransfers (FRET) bei polychromatischen QDs ist es jedoch schwierig, die Spektren der Komposit-QDs zu regulieren [26]. Obwohl die Farbeigenschaften der QWLEDs durch Manipulation der Peakposition und Breite der monochromatischen roten QDs untersucht wurden, wurden die zusammengesetzten orange-roten QDs (composite-QDs) in WLEDs aufgrund der Selbstabsorption und FRET-Prozess.

Hier wurden Composite-QDs untersucht, um die spektrale Kontinuität und Farbqualität des orange-roten Lichtemissionsbereichs für QWLEDs zu verbessern. Wir haben CdSe/ZnS-basierte orange QDs (O-QDs) und rote QDs (R-QDs) mit unterschiedlicher Halbwertsbreite (FWHM) als Komponente der Komposit-QDs vorbereitet. Der FRET in den zusammengesetzten QDs wurde unter Berücksichtigung der Auswirkungen der Konzentration und des Anteils der zusammengesetzten QDs untersucht. Die Ergebnisse wurden verwendet, um die Quanteneffizienz (QE) und die spektrale Steuerbarkeit der Komposit-QDs zu optimieren. Darüber hinaus wurden die Komposit-QDs mit LuAG:Ce grünem Phosphor in blauen LEDs verwendet, um QWLEDs zu bilden. Die vorbereiteten QWLEDs weisen eine verbesserte Farbqualität mit einem ausgewogeneren Vollspektrum im orange-roten Bereich auf.

Methoden

Materialien und Chemikalien

1-Octadecen (ODE, 90%), Schwefel (S, 98,5%), Trioctylphosphin (TOP, 85%) und Stearinsäure (98%) wurden von TCI (Shanghai) bezogen. Cadmiumstearat (Cd(St)₂ ) wurde von Shanghai Debo Chemical Technology Co., Ltd. bezogen. Selenpulver (Se, 325 mesh, 99,5 %) wurde von Alfa Aesar (China) bezogen. Zinkacetat (Zn(Ac)₂ , 99,5%) wurde von Shanghai Titan Scientific Co., Ltd. bezogen. Ethanol und Dimethylbenzol wurden von Tianjin Damao Chemical Reagent Co., Ltd. bezogen. Silikonharz (Dow Corning-6662) wurde von Shineon Co., Ltd. bezogen. Andere Materialien sind gezeigt im Manuskript. Alle Chemikalien wurden ohne weitere Reinigung direkt verwendet, sofern nicht anders angegeben.

Synthese von O-QDs

Das Syntheseverfahren basierte auf dem Bericht in der Literatur [27]. Cd(St)₂ (2 µmMol) und Stearinsäure (0,2 µMol) wurden mit 10 µl ODE in einen 50-ml-Dreihalskolben geladen. Nach Rühren unter Durchleiten von Stickstoff wurde die Lösung auf 270°C erhitzt. Dann wurden 0,5 µl TOP-Se (2 µmol Se-Pulver gelöst in 1 µl TOP) schnell in den Kolben injiziert und 2 Minuten bei 270 °C gehalten. Danach wurden 0,5 µl TOP-S (4 µmol S-Pulver gelöst in 2 µl TOP, gut gerührt) schnell in den Kolben injiziert und 40 Minuten bei 270 °C gehalten, und dann wurde der Kolben auf 30 °C abgekühlt . Cd(St)₂ (0,75 mmol), Zn(Ac)₂ (2,25 &mgr;mol) und 5 &mgr;l ODE wurden in die obige Lösung gegeben. Nach Rühren unter Durchleiten von Stickstoff wurde der Kolben auf 160°C erhitzt. 1,5 ml TOP-S wurden langsam in den Kolben injiziert und 4 Stunden bei 160 °C gehalten, und dann wurde der Kolben auf Raumtemperatur abgekühlt. Nach einem zentrifugierten Reinigungsverfahren mit Ethanol wurden die so hergestellten CdSe/ZnS-QDs zur weiteren Verwendung in 10 ml Dimethylbenzol dispergiert.

Synthese von R-QDs

Das Syntheseverfahren war dem von O-QDs mit Ausnahme der folgenden zwei Punkte ähnlich. Die Heiztemperatur wurde von 270 bis 300°C eingestellt. Und der zweite hinzugefügte Cd(St)₂ ist 1 mmol zusammen mit Zn(Ac)₂ (3 mmol).

Vorbereitung von O-QD- und R-QD-Silikongel-Dünnfilmen

Unterschiedliche Gewichte von R-QDs wurden homogen in Silikongele desselben Volumens gemischt, um R-QD-Gele unterschiedlicher Konzentration (0,05, 0,1, 0,2, 0,4, 0,8, 2, 4 und 10&supmin;&sup4; mg/ml) herzustellen. Dann wurden unterschiedliche Konzentrationen von R-QD-Gelen mit dem gleichen Volumen in die gleiche Art von Formen gegeben und die Blasen entfernt. Schließlich wurden die R-QDs-Silikonverbunddünnschichten durch Aushärten bei 150°C für 60 Minuten hergestellt. Die Silikondünnfilme der O-QDs werden nach demselben Verfahren mit unterschiedlichen Konzentrationen (0,05, 0,1, 0,2, 0,4, 0,8, 2, 4, 10 und 14 mg/ml) hergestellt.

Herstellung von Composite-QD-Silikongel-Dünnfilmen mit unterschiedlichen Gewichtsverhältnissen von O-QDs zu R-QDs

Das Komposit-QD-Silikongel mit unterschiedlichen Gewichtsverhältnissen von O-QDs zu R-QDs (10:1, 5:1, 5:2 und 5:4) wurde durch homogenes Mischen des hergestellten O-QD-Gels hergestellt ( 10 mg/ml) und R-QD-Gel (2 mg/ml) mit unterschiedlichen Volumenverhältnissen (2:1, 1:1, 1:2 und 1:4). Dann wurden die unterschiedlichen Konzentrationen von Komposit-QD-Gelen in die gleiche Art von Form gegeben und die Blasen entfernt. Schließlich wurden die Komposit-QD-Silikongel-Dünnschichten durch 1 h-Härten bei 150°C aufgebaut.

Herstellung von Composite-QD-Silikongel-Dünnfilmen mit unterschiedlichen Konzentrationen

Mit dem gleichen Gewichtsverhältnis von O-QDs zu R-QDs (10:1) wurden die Komposit-QDs in die unterschiedlichen Volumina von Silikongelen gemischt, um Komposit-QD-Gele mit unterschiedlichen Konzentrationen (0,35, 0,5, 0,75, 1, 1,5 und 3 µg/ml). Dann wurden die so hergestellten Komposit-QD-Gele in die gleiche Art von Formen gegeben und die Blasen entfernt. Schließlich wurden die Komposit-QD-Silikongel-Dünnfilme mit unterschiedlichen Komposit-QD-Konzentrationen durch 1 h langes Härten bei 150°C hergestellt.

Herstellung von WLEDs

Die LED-Chips (typisch 2835 Leadframe Package) mit der Emissionsspitze bei 450 nm wurden für die Herstellung von WLEDs verwendet.

Grün emittierende LuAG:Ce-Leuchtstoffe, O-QDs (10 mg/ml), R-QDs (2 mg/ml) oder Komposit-OR-QDs (Gewichtsverhältnis 10:1) wurden mit Silikongel (Dow Corning 6662, A:B =1:4), und die Mischung wurde unter Vakuum entgast. Mit einer gemeinsamen Verpackungsmethode auf Silikongelbasis wurden die vier verschiedenen WLEDs mit LuAG:Ce-Phosphor, Phosphor und O-QDs, Phosphor und R-QDs bzw. Phosphor und Composite-QDs entwickelt. Schließlich wurden die obigen WLEDs durch Aushärten bei 150°C für 1 Stunde gehärtet.

Messung und Charakterisierung

Photolumineszenz (PL) wurde auf einem Ideaoptics FX2000-EX PL-Spektrometer aufgezeichnet. Die Transmissionselektronenspektroskopie (TEM) wurde an einem FEI Tecnai G2 Spirit TWIN Transmissionselektronenmikroskop bei 100   kV durchgeführt. Die Messungen der Quanteneffizienz (QE) wurden auf einem OceanOptics QEpro QY-Testsystem unter 365 nm blauer Laserbestrahlung durchgeführt. Die Lichtausbeute und die optische Leistung wurden auf einem EVERFINE ATA-1000 LED-Lichtschranken-Analyse- und -Messsystem mit automatischer Temperatursteuerung aufgezeichnet. Die UV-Vis-Absorption wurde unter Verwendung eines Persee T6 UV-Vis-Spektrometers gemessen. Die Anregungsspektren und die zeitaufgelöste PL-Spektroskopie (TRPL) wurden mit einem Edinburgh FLS920 Fluoreszenzspektrometer gemessen.

Ergebnisse und Diskussion

Zunächst wurden die optischen Eigenschaften der beiden monochromen QDs untersucht. Abbildung 1a und b zeigen die Photolumineszenz- (PL) und Absorptionsspektren der R-QDs und O-QDs. Die FWHM der R-QDs und O-QDs beträgt etwa 20,6 bzw. 43 nm. Die Positionen der gestrichelten Linien zeigen die PL- und Absorptionspeaks an. Wie in TEM-Bildern gezeigt, weisen die R-QDs und O-QDs eine kubische Morphologie mit einer durchschnittlichen Größe von 13 nm bzw. 12 nm auf (Abb. 1c und d). Die eingefügten HRTEM-Bilder zeigen einen interplanaren Abstand von 0,35 nm, der der (111)-Ebene der kubischen Phase ZnS zugeordnet werden kann.

PL- und UV-Spektren von R-QDs (a ) und O-QDs (b ). TEM-Bilder von R-QDs (c ) und O-QDs (d )

Die optischen Eigenschaften von QDs-Silikondünnfilmen aus monochromen R-QDs und O-QDs mit unterschiedlichen Konzentrationen werden weiter unter Anregung durch einen 365 nm-Laser bei 15,88 mW/cm ² . getestet . Abbildung 2a und b zeigen die konzentrationsabhängigen PL-Spektren der QDs und ihre FWHM ist nahezu konstant. Abbildung 2c und d zeigen die PL-Intensität und die absolute QE von monochromen QDs-Silikondünnfilmen mit unterschiedlichen QDs-Konzentrationen. Mit dem Anstieg der Konzentration nimmt die PL-Intensität von R-QD-Silikondünnfilmen zu, bis die QD-Konzentration 2 µg/ml erreicht und nimmt dann aufgrund der Konzentrationslöschung ab. Ähnlich der Variation der PL-Intensität erreicht die QE der QDs bei gleicher Konzentration den höchsten Wert von etwa 85%. Die PL-Intensität und QE der O-QD-Silikondünnfilme zeigen einen ähnlichen konzentrationsabhängigen Trend im Vergleich zu denen der R-QD-basierten Dünnfilme. Im Gegensatz dazu steigen die PL-Intensität und QE der O-QDs schnell bis zu einer QD-Konzentration von 4 mg/ml an und die Maximalwerte werden bei einer Konzentration von 10 mg/ml erreicht. Wir folgern, dass dies auf die größere Stoke-Verschiebung der O-QDs als der R-QDs zurückzuführen ist. Die maximale QE des O-QD-Silikondünnfilms beträgt etwa 76 %, was der gleichen QD-Konzentration für die höchste PL-Intensität entspricht.

PL-Spektren von R-QD (a ) und O-QD (b )-basierte Silikongel-Dünnfilme. Entsprechende PL-Intensität und QE von R-QD (c ) und O-QD (d )-basierte Silikongel-Dünnfilme mit unterschiedlichen Konzentrationen von QDs

Darüber hinaus zeigen die 2 mg/ml R-QDs- und 10 mg/ml O-QD-basierten Silikongelfilme auch die höchste PL-Intensität bei unterschiedlicher Anregungsleistung, wie in Abb. S1 a bzw. b gezeigt. Bei den obigen beiden Konzentrationen bleiben die optischen Eigenschaften der monochromen QDs effektiv erhalten, was das durch den Wirtsmatrixeffekt verursachte PL-Quenching schwächt [28, 29]. Die Studie hilft, die geeignete Konzentration der monochromen QDs in Silikonfolien zu finden.

Um den Konzentrationseinfluss von QDs in den monochromen QD-basierten Silikondünnschichten weiter zu untersuchen, werden die zeitaufgelösten PL (TRPL)-Spektren der dünnen Schichten mit unterschiedlichen Konzentrationen gemessen und die Zerfallskurven in Abb. 3 dargestellt. Es ist bekannt dass PL-Abklingkurven mit einer multiexponentiellen Funktion ausgedrückt werden können, wie durch Gl. 1 [30],

TRPL-Abklingkurven von R-QD (a ) und O-QD (b )-basierte Dünnschichten. Lebensdauer von R-QD (c ) und O-QD (d )-basierte Silikongel-Dünnfilme mit unterschiedlichen Konzentrationen

wo ich (t ) ist die PL-Intensität zum Zeitpunkt t , A _ich und τ _ich die relative Amplitude und die Lebensdauer des angeregten Zustands jeder exponentiellen Komponente des PL-Zerfalls darstellen und n ist die Anzahl der Zerfallszeiten. Diese Zerfallskurven, wie in Abb. 3a und b gezeigt, lassen sich gut durch eine Doppelexponentialfunktion nach Gl. 1.

Die Anpassungsparameter A _ich und τ _ich sind in Tabelle S1 und S2 aufgeführt. Als Lebensdauer werden die amplitudengewichteten Lebensdauern der R-QDs und O-QDs gewählt (τ _Ave ) zur weiteren Untersuchung. Die Lebensdauer lässt sich aus der folgenden Gl. 2 [31] und ist in Tabelle S1 und S2 aufgeführt.

Abbildung 3c und d zeigen die Lebensdauer der beiden monochromen QDs bei unterschiedlichen Konzentrationen. Beide Lebensdauern nehmen mit steigender Konzentration zu und die Anstiegsgeschwindigkeit wird nach 1 µg/ml für die R-QDs bzw. 2 µg/ml für die O-QDs langsamer. Dies deutet darauf hin, dass der Konzentrationsanstieg den Abstand zwischen den QDs verringert und somit den Energietransfer und die Selbstabsorption in den monochromen QDs verbessert [32, 33]. Inzwischen ist die Zunahme der Lebensdauer bei O-QDs offensichtlicher als bei R-QDs, was auf mehr Energieübertragung bei O-QDs hindeutet. Es scheint jedoch, dass der Energietransfer bei niedriger Konzentration keine Fluoreszenzlöschung der QDs induziert. Im Gegenteil, es kann sich positiv auf die PL-Intensität und QEs auswirken, wie zuvor in Abb. 2 gezeigt.

Die optischen Eigenschaften von Komposit-QDs mit unterschiedlichen Gewichtsverhältnissen von R-QDs zu O-QDs wurden weiter untersucht. Die PL-Spektren der Verbund-QD-Dünnfilme sind in Fig. 4a gezeigt. Basierend auf den Spektren wird das zusammengesetzte QD-PL-Peakintensitätsverhältnis von 631:605 (nm) in 4b extrahiert. Das Spitzenintensitätsverhältnis zeigt eine steigende Zunahme mit dem R-QD-Prozentsatz, was auf den Energietransfer von O-QDs zu R-QDs hindeutet. Abbildung 4c zeigt die Überlappung zwischen dem R-QD-Absorptionsspektrum und dem O-QD-Emissionsspektrum. Dies deutet auf eine hohe Wahrscheinlichkeit eines FRET-Prozesses hin, bei dem die O-QDs als Donor und R-QDs als Akzeptor fungieren (in Abb. 4d gezeigt).

PL-Spektren von Composite-QD-Silikondünnschichten mit unterschiedlichem Verhältnis von R-QDs zu O-QDs (a ) und das zusammengesetzte QD-PL-Peakintensitätsverhältnis (b ). Die Überlappung des R-QD-Absorptionsspektrums und des O-QD-Emissionsspektrums (c ). Schematische Darstellung des Energietransfers in Verbund-QDs (d )

Weitere Studien konzentrieren sich auf den FRET-Prozess in Composite-QDs. Abbildung 5a zeigt die Wirkung von R-QDs (Akzeptor) auf die Emissionskinetik der O-QDs (Donor). Die TRPL-Intensität nimmt mit dem Anstieg des Akzeptors in der Filmprobe ab (analysiert bei einer maximalen Donor-Emissionswellenlänge von 605 nm). Abbildung 5b zeigt die Wirkung von O-QDs (Donor) auf die Emissionskinetik der R-QDs (Akzeptor). Im Gegensatz dazu nimmt die TRPL-Intensität mit dem Anstieg des Donors in der Filmprobe zu (analysiert bei einer Peak-Akzeptor-Emissionswellenlänge von 631  nm). Die Zerfallskurven in Abb. 5a und b können mit den 2 Exponentialen angepasst werden, und die detaillierten Amplituden, Lebensdauerkomponenten und amplitudengewichteten Lebensdauern der QDs wurden in Tabelle S3 aufgelistet. Es wurde festgestellt, dass die Lebensdauer der O-QD-Probe 30,25 ns beträgt. Wenn die Akzeptor-R-QDs eingeführt werden, verringert sich die Lebensdauer der Donor-O-QDs (Tabelle S3) aufgrund des Eingriffs des energieübertragenden Kanals. Die Lebensdauer des Donors wird mit steigender Akzeptorkonzentration kürzer. Im Gegensatz dazu wurde festgestellt, dass die Lebensdauer der R-QD-Probe 13,08 ns beträgt. Wenn die Donor-O-QDs eingeführt werden, zeigen die Akzeptor-R-QDs eine Verlängerung der Lebensdauer als Ergebnis der Energiezufuhr (Tabelle S3) [34]. Die berechneten Ergebnisse sind in Abb. 5c dargestellt, die die Phänomene deutlich demonstrieren.

TRPL-Abklingkurven von Verbund-QD-Dünnschichten mit unterschiedlichen Verhältnissen von R-QDs zu O-QDs bei der Emissionswellenlänge des Donors (a ) und Akzeptor-Peak-Emissionswellenlänge (b ). Die Variation der Lebensdauer des Spenderdekrements und des Akzeptors (c ). Der Vergleich der relativen Zunahme zwischen der FRET-Effizienz und dem R-QDs-Anteil und der berechneten FRET-Effizienz unter den verschiedenen Verhältnissen von R-QDs zu O-QDs (d )

Der FRET-Prozess wird auch anhand der Energieübertragungseffizienz untersucht. Die Effizienz von FRET kann anhand der Lebensdauer berechnet werden, wie in Gl. 3.

wo τ _DA ist die Donor-Fluoreszenzlebensdauer in Gegenwart des Akzeptors, τ _D ist die Donor-Fluoreszenzlebensdauer in Abwesenheit von Akzeptor [26]. Es zeigt, dass τ _DA ist umgekehrt proportional zum Wirkungsgrad der Energieübertragung. Daher steigt mit zunehmendem Akzeptor-Donor-Verhältnis der τ _DA kürzer und die Energieübertragungseffizienz steigt. Eine größere Energieübertragungseffizienz spiegelt einen stärkeren Einfluss auf die Fluoreszenz wider. Wir analysieren weiter die FRET-Effizienz von Komposit-QDs in Abb. 5a. Die berechneten Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt und der Wirkungsgrad erreicht 33,2 % mit dem höchsten Akzeptoranteil. Währenddessen zeigt Fig. 5d die Änderung der FRET-Effizienz unter verschiedenen Verhältnissen von Donor zu Akzeptor. Die FRET-Effizienz steigt mit dem Anstieg der R-QDs (Akzeptor) in den zusammengesetzten QDs und die Steigerungsrate der Effizienz liegt nahe der der R-QDs. Es zeigt an, dass die Zunahme der Energieübertragung empfindlich auf die Zunahme des Akzeptors reagiert.

Als bestes Kontinuitätsspektrum für LED-Beleuchtung in orange-rotem Licht werden die Composite-QDs mit dem 1:10-Gewichtsverhältnis von R-QDs zu O-QDs für weitere Untersuchungen ausgewählt. Abbildung 6a zeigt die PL-Spektren der Verbund-QD-Silikondünnfilme mit unterschiedlichen Konzentrationen von Verbund-QDs bei demselben Gewichtsverhältnis von R-QDs zu O-QDs (R:O =1:10). Neben der Zunahme der Gesamt-PL-Intensität nimmt auch der Anteil des Rotlichts (631 nm) offensichtlich mit dem Anstieg der QD-Konzentration zu, wie in Abb. 6b gezeigt. Dieses Phänomen kann dem erhöhten FRET mit steigender QD-Konzentration zugeschrieben werden. Darüber hinaus wird die Anstiegsgeschwindigkeit des roten Lichts bei höherer QD-Konzentration langsamer. Dies könnte an der Sättigung des Energietransfers (ET) zwischen QDs liegen. Jedoch zeigen die absoluten QEs der QD-Silikon-Verbunddünnfilme eine Änderung von weniger als 5 % mit unterschiedlichen Konzentrationen von Verbund-QDs, wie in 6c gezeigt. Es scheint, dass 1,0–1,5 mg/ml die günstigste QD-Konzentration für zusammengesetzte QDs in der Anwendung ist, was hohe QEs mit einer geringen Spektrumsvariation gewährleistet.

PL-Spektren von präparierten Verbund-QD-Silikondünnschichten mit unterschiedlichen Konzentrationen (a ) und ihre PL-Peakintensitätsverhältnisse (b ). QE der hergestellten Verbund-QD-Silikondünnschichten (c ). Lebensdauer von Donor (orangefarbene Punkte) oder Akzeptor (rote Punkte) und FRET-Effizienz (blaue Punkte) unter verschiedenen Konzentrationen von Komposit-QDs (d )

Die TRPL-Abklingkurven der verschiedenen Dünnfilme mit zusammengesetzter QD-Konzentration sind in Abb. S2 gezeigt. Tabelle S4 listet die Amplituden, Lebensdauerkomponenten und amplitudengewichteten Lebensdauern für die zusammengesetzten QDs auf. Ihre FRET-Effizienzen werden berechnet und in Tabelle S5 gezeigt. Darüber hinaus sind die Änderungen der Lebensdauer und der FRET-Effizienz mit der Konzentration in Abb. 6d deutlich dargestellt. Im Detail zeigt die FRET-Effizienz mit zunehmender Konzentration einen abnehmenden Trend von 22 auf 9 %. Unterdessen nimmt die bei der Emissionswellenlänge der Donor-O-QDs aufgezeichnete Lebensdauer mit steigender Konzentration zu (orange Punkte in Fig. 6d). Dies ist ähnlich der konzentrationsabhängigen Lebensdauer der reinen O-QD-Proben, die in Abb. 3 gezeigt sind. Es deutet auf die Existenz des kombinierten Effekts von FRET und Selbstabsorption (wie bei den monochromen QDs) hin. Mit steigender Konzentration führt die verstärkte Selbstabsorption zum Anstieg des τ _DA (die Donor-Fluoreszenzlebensdauer in Gegenwart des Akzeptors, wie in Fig. 6d gezeigt, orange Punkte), was auf eine Hemmung des FRET zwischen zusammengesetzten QDs hindeutet (blaue Punkte in Fig. 6d). Bei der Akzeptor-R-QD-Emissionswellenlänge führt die reduzierte FRET-Effizienz zu einem kleineren Anstieg der Lebensdauer bei hoher Konzentration (rote Punkte in Fig. 6d). Infolgedessen zeigen die Verbund-QDs eine relativ schwache konzentrationsabhängige Lebensdauer und könnten eine stabile QE aufrechterhalten, was der Anwendung von Verbund-QDs in LED-Anwendungen zugute kommt.

Um den Lichtkompensationseffekt der Komposit-QDs in Beleuchtungsanwendungen zu untersuchen, werden WLEDs durch Mischen von grün emittierendem LuAG:Ce-Phosphor und O-QDs, R-QDs oder Komposit-QDs (R:O =1:10) und . hergestellt Verpacken der Mischung auf 450 nm emittierenden GaN-Chips. Bei einem Antriebsstrom von 40 mA sind die Anregungslumineszenz-Spektren (EL) der präparierten WLEDs in Abb. 7 dargestellt. Die korrelierte Farbtemperatur (CCT) und die Farbkoordinaten der WLEDs sind in Abb. S3 und Tabelle . dargestellt S6. Die vier WLEDs haben im blau-grünen Lichtbereich nahezu die gleichen Spektren, im orange-roten Lichtbereich jedoch unterschiedliche Spektren. Außerdem zeigt die LuAG:Ce (nur)-basierte WLED den niedrigsten Farbwiedergabeindex (CRI) von 48,8 aufgrund des Verlustes des rot-orange Lichtbereichs. Im Gegensatz dazu zeigt die Composite-QD-basierte WLED ein breiteres und flacheres Spektrum im orange-roten Lichtbereich und den höchsten CRI von 92,1. Im Vergleich zu den Composite-QDs weisen die LuAG:Ce (nur) und R-QD-basierten WLEDs eine deutliche Lichtlücke im orangefarbenen Lichtbereich auf und zeigen große Unterschiede in CCT und Farbkoordinaten. Obwohl das O-QD-basierte WLED ähnliche CCT- und Farbkoordinaten wie das Composite-QD-basierte WLED hat, fehlt ihm das rote Licht und weist daher einen viel niedrigeren CRI auf als das der Composite-QDs. Es zeigt die vielversprechende Fähigkeit von Composite-QDs zur Verbesserung der Farbqualität von WLED.

EL-Spektren von WLEDs, die nur mit grünem LuAG:Ce-Phosphor verpackt sind (a ), LuAG:Ce+R-QDs (b ), LuAG:Ce+O-QDs (c ) und LuAG:Ce + zusammengesetzte QDs (d)

Zur weiteren Auswertung der experimentellen Ergebnisse wurde die Lichtausbeute der Strahlung (LER) nach folgender Formel berechnet:

wobei 683 lm /W _wählen ist ein Normalisierungsfaktor. W _wählen , V (λ ) und P (λ ) sind die optische Leistung, die Empfindlichkeitsfunktion des menschlichen Auges bzw. die spektrale Leistungsdichte der Lichtquelle [35, 36].

Die LER-Ergebnisse sind in Tabelle S6 zusammengefasst und ähneln früheren Berichten [37,38,39]. Den Ergebnissen zufolge ist die LER der auf Composite-QD basierenden WLED (Probe d) höher als die der R-QDs (Probe c) und niedriger als die der O-QDs (Probe b) aus dem Grund, dass menschliche Augen reagieren empfindlicher auf oranges Licht als auf rotes Licht.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend haben wir die orange-roten Komposit-QDs (Komposit-QDs) hergestellt und ihre optischen Eigenschaften und die Energieübertragungsdynamik in den Komposit-QDs für LED-Anwendungen untersucht. Unsere Studie zeigt, dass die Konzentration der Composite-QDs und der Anteil der Donor-QDs und Rezeptor-QDs eine wichtige Rolle bei der Energieübertragungseffizienz und Spektrumsstabilität spielen. Inzwischen hat die Selbstabsorption einen signifikanten Einfluss auf den FRET zwischen verschiedenen monochromen QDs in den Komposit-QDs. Die relativ stabile und hohe QE kann durch Einstellen des Donor-zu-Rezeptor-Verhältnisses in den Composite-QDs erreicht werden, was sinnvoll ist, um die Farbqualität von WLED durch Kompensation der Lichtlücke im orange-roten Bereich zu verbessern. Als Ergebnis weist die auf Composite-QDs basierende WLED eine stark verbesserte Farbqualität und ein natürlicheres Lichtspektrum im Vergleich zu den Spektren der monochromen QD-basierten WLEDs auf.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die während der laufenden Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage bei den entsprechenden Autoren erhältlich.

Abkürzungen

QDs:

Quantenpunkte

WLEDs:

Weiße Leuchtdioden

zusammengesetzte QDs:

zusammengesetzte orange-rote QDs

O-QDs:

CdSe/ZnS-basierte orangefarbene QDs

R-QDs:

CdSe/ZnS-basierte rote QDs

FWHM:

Volle Breite auf halbem Maximum

FRET:

Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfer

LEDs:

Leuchtdioden

CRI:

Farbwiedergabeindex

QWLEDs:

QD-basierte WLEDs

CCT:

Korrelierte Farbtemperatur

QE:

Quanteneffizienz

ODE:

1-Oktadece

S:

Schwefel

TOP:

Trioctylphosphin

Cd(St)₂ :

Cadmiumstearat

Se:

Selenpulver

Zn(Ac)₂ :

Zinkacetat

PL:

Photolumineszenz

TEM:

Transmissionselektronenspektroskopie

TRPL:

Zeitaufgelöste PL-Spektroskopie

EL:

Anregung-Lumineszenz