Ungiftige photolumineszente Nanomaterialien liefern hochfarbqualitative weiße LEDs

Zusammenfassung

Hochhelle weiße Lichtemittierende Dioden (w-LEDs) mit exzellenter Farbqualität werden durch Verwendung ungiftiger Nanomaterialien demonstriert. Zuvor berichteten wir über hochfarbqualitative w-LEDs mit Schwermetall-Phosphoren und Quantenpunkten (QDs), die Umweltgefahren verursachen können. In der vorliegenden Arbeit werden flüssig-typische weiße LEDs aus ungiftigen Materialien, genannt Graphen und poröse Silizium-Quantenpunkte, mit einem hohen Farbwiedergabeindex (CRI) Wertzuwachs bis zu 95 gefertigt. Die flüssig-typische Bauelementstruktur besitzt minimierte Oberflächentemperatur und 25 % höheren Wert der luminosen Effizienz im Vergleich zur Dispenser-typischen Struktur. Weiterhin ist das präparierte Bauelement umweltfreundlich und auf niedrige Toxizität zurückzuführen. Die niedrige Toxizität und hohe R9 (87) Komponentenwerte lassen vermuten, dass sie neue Methoden für Bioimaging-Anwendungen hervorbringen oder verbessern.

Hintergrund

Lichtemittierende Dioden (LEDs) haben beträchtliche Aufmerksamkeit aufgrund ihrer langen Lebensdauer, hohen Effizienz und energiesparenden Eigenschaften gewonnen, was sie zum besten Kandidaten für Festkörperbeleuchtung macht. GaN-basierte Chips weiße LEDs (WLEDs) haben große Effizienzverbesserungen durch Fertigungsfortschritte demonstriert. GaN-Nitrid-basierte Quantenpunkt (QD) Technologie ist hochgeeignet für verschiedene Anwendungen wie Displays, LED-Beleuchtung und biomedizinische Markierung. Insbesondere zahlreiche Studien haben exzellente Nutzung von QDs in weißer LED-Fertigung demonstriert. Die charakteristischen Merkmale von QDs, wie ihre schmale Emissionslinienbreite, hoher Quantenausbeute und größenabhängig einstellbarer Bandabstand, machten sie zu exzellenten Kandidaten für LED-Technologie. Die gängigsten II–VI Halbleiter-QDs, wie Cadmium- und Selen-Verbindungs-Kerne (z. B. CdZnS, CdSe, CdZnSe, ZnSe) mit Einzel- oder Mehrfachschalen basierten LEDs, haben hohe luminose Effizienz. Jedoch behindern die hohen Synthesekosten und Schwermetall-Toxizität dieser QD-Materialien ihre Großserienproduktion und werfen Bedenken bezüglich Umweltverschmutzung auf. Alternative Materialien basierend auf Silizium (Si) und Kohlenstoff, wie Graphen, sind ungiftig und umweltfreundlich für den Menschen. Weiterhin zeigen Si-incorporierte QDs signifikante Lichtemission mit hohen Photolumineszenz (PL) Effizienzen unter starker Einsperrung.

Graphenoxid-Quantenpunkte (GQDs) besitzen die sp²-Domäne als Transport-Mobilitäts-Vermittler sowie ungeordnete sp³-hybridisierte Kohlenstoff- und Sauerstoffatome. Daher können Emissionswellenlängen von Blau bis Grün moduliert werden aufgrund der Anwesenheit dieser ungeordneten sauerstoffhaltigen Randzustände. Die einstellbaren fluoreszierenden Emissionen von QDs können für Anwendungen in Bauelementen wie LEDs, Photodioden, Photodetektoren, Bioimagern und photovoltaischen Zellen ausgenutzt werden. Zusätzlich zur Sauerstoff-Funktionalisierung von GQDs kann Stickstoff-Dotierung stabile Emission durch Bildung kovalenter Bindungen mit sp²-Kohlenstoff in der aromatischen Kette liefern. Stickstoff-dotierte GQDs, die sowohl p- als auch n-Typ-Leitfähigkeit aufweisen, wie durch elektrochemische Mott-Schottky-Analyse bestätigt, wurden entwickelt. Die Hauptansätze 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 GQDs-Produktion für Massenproduktion vorzuziehen, da er keine mühsamen Reinigungsschritte für die Entfernung unreaktiver Vorläufermoleküle erfordert. Allerdings produziert der Top-Down-Ansatz einen niedrigeren Quantenausbeute (weniger als 50 %) von GQDs als der Bottom-Up-Ansatz. Als Ergebnis sind verschiedene Optimierungen in Top-Down-Fertigungsprozessen von GQDs erforderlich, wie Größenkontrolle, chemisches Doping oder Oberflächenmodifikation. Die vorliegende Studie demonstriert eine Stickstoff-dotierte GQDs-Methode, um Defekte zu reparieren, die während eines Top-Down-Prozesses auftreten. Einige elektronen-spendende Stickstoff-Funktionalitäten können in die GQDs eingebaut werden und hydrothermale Behandlungen mit NH₃ vermeiden die Bildung von Kohlenstoff-haltigen Gruppen, die die Analyse der Stickstoff-Funktionalitäten verkomplizieren könnten.

In dieser Studie wurden Photolumineszenz (PL) Studien von ungiftigen QD-basierten LEDs demonstriert durch Verwendung von GQDs und porösem Si (P-Si) QDs. Die PL-basierten QD-LEDs bieten einen kostengünstigen und einfachen Fertigungsansatz über elektrolumineszente (EL) QD-LEDs. Stickstoff-dotierte GQDs wurden verwendet, um ungiftige, neutrale weiße LEDs herzustellen. Allerdings emittierten die meisten GQDs kurzwelliges Licht (Blau und Grün) unter Ultraviolett (UV) Anregung. Dies ist auf den Quanten-Einschluss-Effekt (< 10 nm) zurückzuführen, der normal zur Graphen-Ebene ist und das Verschieben von Emissionen zu längeren Wellenlängen durch Einstellen der Größen von Graphen-Kristallen schwierig war. Daher wurden Si-QDs auf den Oberflächen von P-Si-Nanopartikeln eingebettet, deren Defekte Fluoreszenz erzeugten. Die P-Si-Nanokristalle können langwellige Emissionen aufweisen, um das Fehlen langwelliger Bänder in den GQD-Emissionsspektren zu kompensieren, und somit warmweißes Licht erzeugen. Laut Literatursurvey trug L. T. Canhams Gruppe wesentlich zu Untersuchungen mesoporöser Si-Schichten mit hoher Porosität für sichtbare (rote) Photolumineszenz bei Raumtemperatur bei. Die Fertigung von P-Si QDs kann in zwei Ansätze kategorisiert werden, Bottom-Up und Top-Down, ähnlich wie GQD-Fertigungsprozesse. Diese Studie wählt einen Top-Down-Ansatz zur Fertigung der P-Si QDs, da er für Massenproduktion geeignet ist. Schließlich wurden diese zwei Arten von Bauelementstrukturen neutralweiß und warmweiß LEDs durch Verwendung von Dispenser- und Flüssig-Typ-Packaging-Prozessen gefertigt, die exzellente Farbwiedergabeindex (CRI) und luminose Effizienz-Werte aufwiesen.

Methoden und Materialien

Synthese von Stickstoff-dotierten GQDs

Zunächst wurden Graphenoxid (GO) Blätter durch Verwendung von natürlichem Graphitpulver (SP-1, Bay Carbon, USA) via Hummers-Methode präpariert, wie folgt erklärt: 5 g Graphitpulver, NaNO₃ und KMnO₄ wurden in einem 2:1:3 Verhältnis in 150 mL 18 M H₂SO₄ gemischt und die Temperatur der Mischung wurde unter 20 °C gehalten. Der Graphit wurde durch kontinuierliches Rühren der Mischung bei 35 °C für 4 h oxidiert, wonach 230 mL Wasser langsam mit Rühren bei 98 °C für 15 min zugegeben wurde. Anschließend wurden 12 mL H₂O₂ zur Mischung mit kontinuierlichem Rühren bei Raumtemperatur hinzugefügt, und das Produkt wurde mehrmals gewaschen, um GO-Blätter zu erhalten. Die erhaltenen GO-Blätter wurden mit Stickstoff dotiert, indem sie in 30 mL NH₃ (60 % Konzentration) bei 500 °C für 12 h oxidiert wurden. Dann wurde das resultierende Gemisch 10 h ultraschallbehandelt und bei 140 °C gehalten, um residuales HNO₃ zu entfernen. Das finale Produkt wurde in deionisiertem Wasser dispersiert und zentrifugiert, um den Niederschlag zu entfernen. Als Ergebnis erhielten wir Stickstoff-Graphenoxid-Punkte (NGOD) Suspensionen. Diese Suspensionen wurden mit Zentrifugenröhrchen (VS20S01 und VS15RH91, Sartorius, Deutschland) gesiebt, um GQDs zu erhalten. Die Zentrifugenröhrchen waren mit Polyethersulfon-Filtern mit Cut-off-Molekulargewichten von 30, 10 und 3 kDa ausgestattet, um GQD3, GQD2 und GQD1 jeweils zu produzieren. Die GQD-Suspension wurde durch Membranen in einer Sequenz abnehmender Porengröße geleitet und an seriellen Stufen gesammelt, um GQDs variierender Größen zu erhalten.

Fertigung von P-Si QD Nanopartikeln

Kolloidale P-Si QD Nanopartikel dispersiert in Ethylacetat wurden wie in unserer kürzlich veröffentlichten Studie beschrieben synthetisiert. Zunächst wurde ein 6-Zoll p-Typ Si-Wafer elektrochemisch geätzt, um eine P-Si-Schicht zu produzieren, an der Cluster nanoskaliger (< 5 nm) P-Si QDs an mikrogroßen (1–10 µm) Si-Kernen hafteten. Der Si-Wafer wurde mit verdünnter Fluorwasserstoffsäure (HF) behandelt und sofort in deoxygeniertes 10-Undecen-1-ol (UDA) getaucht, um eine photochemische Hydrosilylierungsreaktion abzuschließen, in der die terminale ungesättigte Doppelbindung von UDA mit Si-Hydrid (Si-H) reagierte, was zu Si-C-gebundener Carboxylat-Passivierung an P-Si QDs führte. Anschließend wurde die P-Si-Schicht mechanisch pulverisiert, und das resultierende Si-Pulver wurde in Isopropanol für Hochenergie-Kugelmahlen dispersiert. Das Kolloid, das aus dem Mahlen gewonnen wurde, wurde selektiv mit einem wässrigen Ätzmittel aus HNO₃ und HF geätzt, um die nicht-strahlenden bulk Si-Kerne, gekappt mit Si-Oxid, wegzuätzen, währendmostly die PL-aktiven P-Si QDs mit Si-C-gebundener Carboxylat-Passivierung erhalten blieben. Dieser Schritt ergab etwa 25 mg pro Wafer rot-emittierender hydroxyl-terminierter P-Si QD Nanopartikel (das eigentliche Si QD ist ca. 10 nm, ungefähr 40 nm bis 500 nm im Durchmesser) mit hoher Monodispersität und hoher PL-Quantenausbeute (45–55 %). Schließlich wurden die Hydroxylgruppen der P-Si QD Nanopartikel mit p-Toluensulfonylchlorid aktiviert und dann substitutionsreagiert mit 2,2'-(ethylendioxy)diethanthiol, um thiol-terminierte P-Si QD Nanopartikel zu produzieren. Die resultierenden P-Si QD Nanopartikel bildeten eine uniforme und stabile Suspension in Ethylacetat, die für optische Charakterisierung verwendet wurde.

Bauelementfertigung

Zwei Arten von Host-Strukturen, d. h. die Dispenser-Struktur und die Flüssig-Typ-Struktur, wurden verwendet, um GQD und GQD/P-Si QD weiße LEDs zu fertigen. Die gefertigten Strukturen wurden von 45-mm UV (365 nm) gepumpt. Zunächst wurden Stickstoff-dotierte GQDs (Gew.-% in Wasser) mit verschiedenen Emissionen – Blau, Teal und Chartreuse – präpariert und als GQD1, GQD2 und GQD3 bezeichnet. Dann wurden GQD1, GQD2 und GQD3 in verschiedenen Verhältnissen (z. B. 4:1:2) gemischt, um die optimale Zusammensetzung für neutrale weiße Emissionen zu bestimmen; die LED, präpariert mit der GQD-Lösung und dem Dispenser 5070 Package, wurde als Referenz verwendet. P-Si QDs wurden präpariert und mit GQD1, GQD2 und GQD3 gemischt (GQD1:GQD2:GQD3: P-Si QD = 4:1:2:10) um weiße LEDs als Warmweiß-Lichtquellen zu fertigen. Unsere vorherige Studie bestätigte, dass die Flüssig-Typ-Struktur günstiger ist als die konventionelle Struktur. In dieser Studie entwarfen wir eine neue Flüssig-Typ-Struktur zur Fertigung von GQD und GQD/P-Si QD weißen LEDs. Die GQD Flüssig-Typ neutralweißen LEDs wurden wie folgt gefertigt: Zunächst verwenden wir einen 2,5-mm-hohen Glasring mit Außen- und Innendurchmessern von 8 mm bzw. 6 mm. Danach bohren wir ein kleines Loch in die obere Oberfläche des Glasrings. Schließlich wird eine Glasbox durch Stapeln zweier dünner Glasplatten mit dem Glasring in der Mitte zusammengebaut (Abb. 1a). Der Raum inside der Glasbox wurde leer gelassen, um Luftstrom zu fördern. Schließlich wurde GQD/P-Si QD Lösung in die Glasbox injiziert, um das Flüssig-Typ-Package zu produzieren. Die QDs wurden durch das Glasloch injiziert und es wieder mit Glasplatte versiegelt. Das Flüssig-Typ QD Package wurde auf ein 5070 UV LED Package (5 mm × 7 mm) gesetzt, und die Emissionswellenlänge betrug 365 nm. Die LIV-Kurve Spektrum zeigte, dass die Einschaltspannung etwa 3 V betrug, was in Abb. 4c gezeigt wurde. Für die Fertigung des Dispenser-Packages wurde der konventionelle Dispenser QD LEDs Prozess angewendet. Im Fall des Dispenser QD Package Ansatzes mischten wir zuerst PMMA und QDs, um die verfestigte Struktur im LED Package zu produzieren. Dafür füllten wir den Silikonkleber halb in das Package, um die QD-Mischung von der Wärmequelle (Blau-Chip) fernzuhalten und QD-Degradation zu verhindern. Danach wurde das Volumenverhältnis unseres Dispenser-Samples als 2:1 QD-Mischung/PMMA genommen, und dann wurde der Schlamm verteilt, um den verbleibenden Raum im Package zu füllen. Danach wurde die finale Struktur bei 60 °C für 2–3 min zum Erstarren gehalten, so wurde der PMMA/QD-Mischfilm im LED Package abgeschieden.

Oberes Panel: a (links) Glas-Package-Assembly zeigt Flüssig-Typ P-Si QD und Stickstoff-dotierte GQD und (rechts) ein Netzwerk von P-Si QDs und Stickstoff-dotierten GQDs. Unteres Panel: Absorption (schwarze durchgezogene Linie), PL-Anregung (gestrichelte Linie) und PL-Emission (durchgezogene Linie) Spektren von b GQD1, c GQD2, d GQD3 und e P-Si QD.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1a illustriert das Netzwerk von P-Si QDs (linkes Panel) und Stickstoff-dotierten GQDs (rechtes Panel) und das Flüssig-Typ QD LED Package. P-Si QDs mit Bio-Sonden können mit neuartigen Top-Down-Methoden gefertigt werden, Beispiele sind elektrochemisches Ätzen auf kristallinem Si-Wafer. Abbildung 1b–e stellt die Absorption, PL-Anregung und Emissionsspektren von GQD1, GQD2, GQD3 und P-Si QDs dar. Die schwarzen und roten gestrichelten Linien zeigen die Absorptions- und Anregungsspektren der QDs. Die PL-Spektren der untersuchten QDs deckten einen weiten Bereich des sichtbaren Spektrums ab. Die volle Breite bei halber Maximale (FWHM) Werte von GQD1, GQD2, GQD3 und P-Si QDs betrugen ungefähr 370, 325, 330 und 250 nm Wellenlängen. Starke Emissionsbanden wurden bei 465 und 488 nm für GQD1 und bei 535 nm für GQD2 nach Anregung von 327 nm beobachtet. Ein Emissionswellenlängen-Peak wurde bei 557 nm beobachtet, zugeordnet zu GQD3 für zwei starke Anregungspeaks (311 und 465 nm), und ein starker Emissionspeak bei 606 nm von P-Si QDs wurde durch Anregungspeak bei 374 nm erregt. Es kann aus den PL-Ergebnissen abgeleitet werden, dass eine kurzwellige Pumpe die bevorzugte Anregungsquelle war, da Absorption und Anregung aller Leuchtmittel im UV-Bereich am stärksten waren. Daher wurde eine 365-nm UV LED als geeignete Quelle gewählt, um hohe Konversionseffizienz in den untersuchten QDs zu realisieren. Die Quantenausbeuten von GQD1, GQD2, GQD3 und P-Si QDs bei 365-nm Anregung betrugen ungefähr 1,4 %, 1 %, 9,1 % und 50 %, jeweils. Das Ergebnis zeigt, dass die meisten GQD NPs Monolagen oder Doppellagen waren, und die P-Si QDs waren ungefähr 40–500 nm in Größe, was eine mehrschichtige Kompositstruktur anzeigt. Abbildung 2a, b stellt die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und hochauflösende TEM-Bilder dar, die Morphologie und Kristallstruktur der GQD-Mischung klären. Die Größe der Graphen-QDs betrug 5 nm, was dem Abstand der (1-100) Ebene und einem Gitterabstand von 0,22 nm entspricht. Abbildung 2c ist ein Rasterelektronenmikroskopie (SEM) Bild, das die Draufsicht der Si-Partikel zeigt. Die Partikelgröße war ungefähr im Bereich von 40–500 nm. Weiterhin wurden wenige P-Si QDs ungefähr 10 nm in Größe auf den Oberflächen der Si-Partikel gefunden.

Transmissionselektronenmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie Bilder von NPs. a Morphologie der Graphen-QD-Mischung mit Partikelgröße von ungefähr 5 nm charakterisiert durch a TEM und b hochauflösende TEM. c SEM-Bild (Draufsicht) der 40 nm–500 nm Silizium-Partikel.

Die LEDs, die hochwertiges weißes Licht in dieser Studie emittierten, bestanden aus mehreren Nanomaterialien mit unterschiedlichen Emissionspeaks, um einen weiten Farbbereich abzudecken. Um die Monochromatizität dieser emittierenden Materialien zu untersuchen, wurden die Flüssig-Typ GQD1, GQD2, GQD3 und P-Si QD LED Packages mit einem 365-nm UV-Chip gepumpt, und ihre Emissionsspektren wurden in Abb. 3 aufgezeichnet. Die Spektren von GQD1 zeigten einen Emissionspeak bei 440 nm und deckten einen großen Teil des blauen Wellenlängenbereichs ab, um blaue Strahlen zu erzeugen, wie in Abb. 3a gezeigt. Der blaue Wellenlängenbereich im Spektrum von GQD2 war etwas kleiner als der von GQD1. Folglich emittierte Flüssig-Typ GQD2 Teal-Licht mit einem Emissionspeak bei 538 nm (Abb. 3b). Die Emissionsspektren von Flüssig-Typ GQD3 hatten einen starken gelben Peak (550 nm), was GQD3 Chartreuse-Licht emittieren ließ, wie in Abb. 3c gezeigt. Nach UV-Pumpen zeigt Abb. 3d, dass das Flüssig-Typ P-Si QD Package orange Strahlen mit einem starken Peak bei 636 nm emittierte. Die Monochromatizität der QD-LEDs demonstrierte unterschiedliche Wellenlängen mit bemerkenswerten Änderungen für die PL-Analyse (vergleiche Abb. 1b–d). Die Hauptursache für die unterschiedlichen Emissionswellenlängen war die unterschiedliche Pumpenquelle. Eine 365-nm UV LED wurde als Anregungslichtquelle verwendet; dies involvierte 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. Nach Bildung von Kompositmischungen zeigten alle Graphen- und P-Si QDs breite Spektralbänder, die hochwertiges weißes Licht mit hohen CRI-Werten erzeugten.

Spektren der Flüssig-Typ monochromen QD LED Packages für a GQD1, b GQD2, c GQD3 und d P-Si QD bei einem Strom von 60 mA.

Abbildung 4a, b zeigt die Spektren von Dispenser- und Flüssig-Typ weißen PL QD LEDs bei 60 mA. Der GQD Flüssig-Typ LED lieferte neutralweißes Licht bei einer korrelierten Farbtemperatur (CCT) von 5600 K mit einer luminosen Effizienz von ungefähr 20,3 lm/W; die Emissionsspektren bestehen aus einem Peak zentriert bei ungefähr 548 nm. Der GQD/P-Si QD Flüssig-Typ LED Bauelement lieferte warmweißes Licht mit einer CCT von 3900 K und einer luminosen Effizienz von ungefähr 19,1 lm/W mit einem Emissionspeak bei 625 nm in Abb. 4a. Die Dispenser-Samples, gefertigt mit der GQD-Lösung und den GQD/P-Si QD-Mischungen, zeigten CCT-Werte von 6300 und 4300 K und Emissionspeaks wurden bei ungefähr 642 nm bzw. 611 nm Wellenlängen erhalten. Die erhaltenen luminosen Effizienzwerte betrugen 16,2 lm/W und 14,5 lm/W für GQD neutralweiße LEDs und GQD/P-Si QD für warmweiße LEDs, jeweils. Im Vergleich zum Flüssig-Typ-Sample sind die PL-Emissionspeaks der Dispenser-Samples rot-verschoben wegen QD-Selbstaggregation, verursacht durch Abwesenheit einer Trägerslösung. Weiterhin aggregieren kleine Partikel zu größeren Partikeln, was Energietransfer diversifiziert. Andererseits kann die Verwendung einer Mischung von QDs unbeabsichtigten Energietransfer zwischen verschiedenen Farb-QDs verursachen. Die exzellente CRI einer weißen LED könnte durch Energietransfer-Phänomen moduliert werden, verursachte aber luminose Reduktion. Wenn wir unbeabsichtigten Energietransfer verhindern wollten, könnte eine nebeneinander Struktur Flüssig-Typ QD LED, gefertigt durch Drucken, in Zukunft geplant werden, worauf die Forschung von M. K. Choi et al. verwies. Die LIV-Kurven Spektren der ungiftigen w-LEDs sind in Abb. 4c geplottet. Die maximale Ausgangsluminanz der w-LEDs betrug etwa 552 cd/m² bei 230 mA für den Flüssig-Typ CQD w-LED, und die Dispenser-Samples hatten niedrigere Luminanzwerte. Die Einschaltspannung betrug etwa 3 V, und alle Samples wurden mit ähnlicher Eingangsleistung betrieben. Abbildung 4d präsentiert den CRI von GQD/P-Si QD Dispenser- und Flüssig-Typ-Samples bei Stromeinspeisungswerten von 1 bis 300 mA. Das Flüssig-Typ-Package war stabiler und verhinderte Selbstaggregation und spektrale Rotverschiebung, was den CRI erhält. Wir modifizierten das Verhältnis der QD-Mischung, um diese exzellente Farbqualität zu erreichen. Die warmweißen Flüssig-Typ LEDs hatten einen exzellenten CRI von 95. Die Flüssig-Typ-Samples zeigten einen höheren allgemeinen CRI (Ra) Wert im Vergleich zu den Dispenser-Samples. Weiterhin ist der niedrigere CRI der Dispenser-Samples auf QD-Selbstaggregation und spektrale Rotverschiebung des Dispenser-Samples zurückzuführen. Das Fehlen von Gelb- und Grünemissionen und die Verstärkung von Orange- und Rotemissionen verringerten Ra. Wenn Ra nicht verringert wurde, war das Flüssig-Typ-Package in der Lage, die Formen der Emissionsspektren beizubehalten. Die CIE-Chromatizitätskoordinaten der Flüssig-Typ- und Dispenser-Samples lagen nahe der Planckschen Kurve. Die CRI-Werte für R1–R9 folgen einem abnehmenden Trend. Dies ist auf das Rotverschiebungs-Phänomen zurückzuführen, das nach dem Dispenser-Prozess auftrat. Der Flüssig-Typ GQD/P-Si QD weiße LED zeigte exzellentes R9 (88) bei 3900 K. Hohe R9-Werte sind wünschenswert wegen ihrer Assoziation mit starken Rotemissionen, die mit organischen Geweben zusammenhängen. Basierend auf CRI-Werten kann hier abgeleitet werden, dass die Flüssig-Typ-Samples besser sind als die Dispenser-Samples. Das Dispenser-Sample hat niedrigen CRI-Wert wegen Selbstaggregation, Intensitätsreduktion und Rotverschiebung der konformen QD LEDs. Weiterhin wurden verschiedene Studien zu Graphen-QD-LEDs veröffentlicht. Aber es gibt noch nur wenige Studien, die CRI-Werte von QD-LEDs demonstrierten. Daher wurden in der vorliegenden Studie QD-basierte WLEDs mit exzellenten CRI-Werten gefertigt, wie in Tabelle 1 gezeigt.

PL-Spektren von (a) Flüssig-Typ Graphen QD bei CCT 5600 K und Flüssig-Typ GQD/P-Si QD weiße LED bei CCT 3900 K. b Dispenser Graphen QD und Graphen/P-Si QD weiße LEDs. c LIV-Kurvenspektrum der ungiftigen w-LEDs getrieben bei 1–300 mA. d CRI-Spektren für GQD + P-Si Dispenser und Flüssig-Typ LEDs getrieben bei 1–300 mA.

Abbildung 5 repräsentiert die durchschnittliche Oberflächentemperatur und Stromabhängigkeit von Flüssig-Typ und Dispenser weißen LEDs. Die stromabhängigen Oberflächentemperaturen wurden als durchschnittliche Temperatur über die Bauelement-Oberfläche gemessen, für einen Zeitraum von 2 min, mit dem Bauelement getrieben von 1 bis 250 mA. Von den zwei präparierten Strukturen zeigten die Dispenser-Samples die niedrigeren luminosen Effizienzen und höheren Oberflächentemperaturen; dies wird auf Wärmeeinschluss innerhalb des Packages zurückgeführt. Gleichung (1) wurde verwendet, um die Wärmeableitung im Bauelement als Differenz zwischen eingangs elektrischer Leistung und gemessener Lichtintensität zu berechnen:

Durchschnittliche Oberflächentemperatur und Stromabhängigkeit von Flüssig-Typ und Dispenser weißen LEDs.

$$ {P}_{heat}={P}_{elec.}-{P}_{opt.}={I}_f{XV}_f-\frac{{\mathrm{\O}}_v}{Wpot.} $$ (1)

wobei P_elec. die eingespeiste elektrische Leistung ist; P_heat und P_opt. sind die erzeugte Wärmeenergie und optische Leistung nach Eingangsleistungseinspeisung; I_f und V_f sind der Antriebsstrom und die Vorwärtsspannung bei LED-Betriebsbedingungen; Ø_v ist der gesamte luminose Fluss; und W_opt ist die luminose Wirksamkeit optischer Strahlung (LER) der LEDs. Der primäre Grund für den Unterschied in der Oberflächentemperatur dieser Packages ist der Unterschied in ihren thermischen Leitfähigkeitskoeffizienten: 1,05 W/mK für Flüssig-Typ-Samples, die aus Glas bestehen, und 0,185–0,196 W/mK für Dispenser-Samples, die aus PMMA bestehen. Der Glasbehälter der Flüssig-Typ-Samples erleichtert Wärmeableitung und hat somit hohe luminose Effizienz. Daher kann die Verbesserung der Wärmeableitungseigenschaften der Samples die Photonenausbeute steigern.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir zwei Arten von WLEDs Bauelementstrukturen präpariert, eine ist Dispenser-Struktur und die andere Flüssig-Typ-Struktur, durch Verwendung von GQD und GQD/P-Si QD jeweils. Die Graphen-QDs und porösen Silizium-QDs haben extrem breite Emissionsbänder. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass Graphen-QDs und Silizium-Nanokristall-basierte w-LEDs exzellente Werte von CRI (95) und R9 (88) besitzen. Weiterhin zeigt die Flüssig-Typ-Bauelementstruktur 25 % höhere luminose Effizienz und bessere Stabilität im Vergleich zu Dispenser-strukturierten Bauelementen. Schließlich können wir schließen, dass die exzellente Leistung der ungiftigen Flüssig-Typ warm LEDs großes Potenzial in Bioimaging und anderen verwandten Anwendungen wie Beleuchtung und Sensorik haben.

Abkürzungen

CRI:

Farbwiedergabeindex

GO:

Graphenoxid

GQDs:

Graphenoxid-Quantenpunkte

LED:

Lichtemittierende Diode

PL:

Photolumineszenz

QDs:

Quantenpunkte

W-LEDs:

Weißlichtemittierende Dioden