Verbesserung der Farbwiedergabe von WLEDs durch komposite orange-rote Quantenpunkte

Zusammenfassung

Quantenpunkte (QDs) als aufstrebende Lichtkonversionsmaterialien zeigen den Vorteil, die Farbqualität von weißen Leuchtdioden (WLEDs) zu verbessern. Allerdings weisen WLEDs, die schmallichtemittierende monochromatische QDs einsetzen, üblicherweise eine unbefriedigende Farbwiedergabe im orangen Bereich auf. Hier werden komposite orange-rote QDs (komposite-QDs) durch Mischen von CdSe/ZnS-basierten orangen QDs (O-QDs) und roten QDs (R-QDs) entwickelt, um das orange-rote Licht für WLEDs zu kompensieren. Wir untersuchten den Effekt von Selbstabsorption und Fluoreszenzresonanzenergietransfer (FRET) in kompositen-QDs auf die spektrale Steuerbarkeit und fluoreszierende Quenchung in WLEDs. Konzentration und Donor/Akzeptor-Verhältnisse wurden ebenfalls berücksichtigt, um die FRET-Effizienz zu analysieren und geeignete komposite-QDs für die Farbkompensation im orange-roten Lichtbereich zu identifizieren. Als Ergebnis verbessern die optimierten kompositen-QDs den Farbwiedergabeindex (CRI) der WLED im Vergleich zu monochromatischen QDs effektiv.

Einleitung

Leuchtdioden (LEDs) haben aufgrund ihrer hohen Effizienz, langen Lebensdauer, geringem Stromverbrauch, schneller Ansprechzeit und hoher Zuverlässigkeit erhebliche Forschungsinteressen für Festkörperbeleuchtungsanwendungen geweckt. WLEDs werden üblicherweise durch Verpacken von gelb-, grün- und rot-emittierenden Phosphoren mit blauen LED-Chips hergestellt. Vollspektrum-WLEDs verwenden komposite Phospore mit einem hohen Anteil an rotem Phosphor. Klassische rote Phospore haben jedoch eine breite Emission, die Lumenverlust im rot-emittierenden Bereich verursacht, da das menschliche Auge für Wellenlängen länger als 650 nm unempfindlich ist.

Kürzlich wurden Quantenpunkte (QDs) eingesetzt, um hochwertige WLEDs herzustellen. Im Vergleich zu klassischen Phosphoren haben QDs einzigartige optische Eigenschaften, wie größenabhängige Wellenlängentunbarkeit, hohe Photolumineszenz-Quantenausbeute und starke Absorption. Aufgrund der schmallichtemittierenden Eigenschaften im rotem Lichtbereich sind rot-emittierende QDs besonders nützlich, um den oben genannten Lumenverlust zu hemmen und den Farbwiedergabeindex (CRI) von WLEDs zu verbessern. Daher ist die Verwendung von QDs zur Kompensation des orange-roten Bereichs zu einer effektiven Maßnahme zur Verbesserung der Farbqualität von WLEDs geworden. Generell können QD-basierte WLEDs (QWLEDs) in zwei Kategorien unterteilt werden, indem monochromatische oder polychromatische QDs in den LEDs gemischt werden. Zum Beispiel verwendeten Xie et al. rot-emittierende CdSe/CdS/ZnS QDs, um klassischen roten Phosphor mit LuAG:Ce grünem Phosphor zu ersetzen und hochleistungsfähige WLEDs herzustellen. Li et al. fertigten QWLEDs durch Integration einer Mischung aus rot-, gelb- und grün-lichtemittierenden CdZnS/ZnSe QDs auf einem blau-emittierenden GaN LED-Chip an, was einen CRI von 85,2 und eine korrelierte Farbtemperatur (CCT) von 4072 K aufwies.

Bis heute werden vollspektrale QWLEDs für Beleuchtungsanwendungen üblicherweise durch Einbau von breitbandig emittierenden grün-gelben Phosphoren und schmallichtemittierenden monochromatischen roten QDs entwickelt. Diese QWLEDs weisen hervorragende Spektralkontinuität im grün-gelben Bereich auf, aber ein klares Tal im orange-roten Bereich. Theoretisch sind komposite-QDs, die aus mehreren monochromatischen QDs im orange-roten Bereich bestehen, in der Lage, das Tal zu füllen und die Spektralkontinuität von QWLEDs weiter zu verbessern. Allerdings ist es schwierig, die Spektren der kompositen-QDs zu regulieren, wegen der Selbstabsorption und des Fluoreszenzresonanzenergietransfers (FRET) unter polychromatischen QDs. Daher wurde, obwohl die Farbeigenschaft der QWLEDs durch Manipulation der Peakposition und Breität der monochromatischen roten QDs untersucht wurde, komposite orange-rote QDs (komposite-QDs) in WLEDs aufgrund der Selbstabsorption und des FRET-Prozesses nicht untersucht.

Hierin wurden komposite-QDs untersucht, um die Spektralkontinuität und Farbqualität des orange-roten Lichtemissionsbereichs für QWLEDs zu verbessern. Wir bereiteten CdSe/ZnS-basierte orange QDs (O-QDs) und rote QDs (R-QDs) mit unterschiedlicher voller Breite bei halber Maximale (FWHM) als Komponenten der kompositen-QDs vor. Der FRET in den kompositen-QDs wurde untersucht, indem die Effekte von Konzentration und Anteil der kompositen-QDs berücksichtigt wurden. Die Ergebnisse wurden verwendet, um die Quantenausbeute (QE) und spektrale Steuerbarkeit der kompositen-QDs zu optimieren. Zudem wurden die kompositen-QDs mit LuAG:Ce grünem Phosphor in blauen LEDs verwendet, um QWLEDs zu bilden. Die hergestellten QWLEDs zeigen verbesserte Farbqualität mit einem ausgeglicheneren Vollspektrum im orange-roten Bereich.

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. gekauft. 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. gekauft. Ethanol und Dimethylbenzol wurden von Tianjin Damao Chemical Reagent Co., Ltd. bezogen. Silikonharz (Dow Corning-6662) stammte von Shineon Co., Ltd. Andere Materialien sind im Manuskript aufgeführt. Alle Chemikalien wurden direkt ohne weitere Reinigung verwendet, sofern nicht anders angegeben.

Synthese von O-QDs

Das synthetische Verfahren basierte auf dem Bericht in der Literatur. Cd(St)₂ (2 mmol) und Stearinsäure (0,2 mmol) wurden in einen 50-ml-Dreihalskolben mit 10 ml ODE geladen. Nach Rühren mit Stickstoffbubbling wurde die Lösung auf 270 °C erhitzt. Dann wurden 0,5 ml TOP-Se (2 mmol Se-Pulver gelöst in 1 ml TOP) schnell in den Kolben injiziert und 2 min bei 270 °C gehalten. Anschließend wurden 0,5 ml TOP-S (4 mmol S-Pulver gelöst in 2 ml TOP, gut gerührt) schnell in den Kolben injiziert und 40 min bei 270 °C gehalten, dann wurde der Kolben auf 30 °C abgekühlt. Cd(St)₂ (0,75 mmol), Zn(Ac)₂ (2,25 mmol) und 5 ml ODE wurden in die obige Lösung gegeben. Nach Rühren mit Stickstoffbubbling wurde der Kolben auf 160 °C erhitzt. 1,5 ml TOP-S wurde langsam in den Kolben injiziert und 4 h bei 160 °C gehalten, dann wurde der Kolben auf Raumtemperatur abgekühlt. Nach einem Zentrifugen-Reinigungsverfahren mit Ethanol wurden die hergestellten CdSe/ZnS QDs in 10 ml Dimethylbenzol für weitere Verwendung dispersiert.

Synthese von R-QDs

Das synthetische Verfahren war ähnlich wie bei O-QDs, außer den folgenden zwei Punkten: Die Erhitzungstemperatur wurde von 270 auf 300 °C angepasst. Und das zweite zugegebene Cd(St)₂ beträgt 1 mmol zusammen mit Zn(Ac)₂ (3 mmol).

Herstellung von O-QD und R-QD Silikon-Gel-Dünnschichten

Verschiedene Gewichte von R-QDs wurden homogen in das gleiche Volumen Silikon-Gele gemischt, um R-QD-Gele mit unterschiedlichen Konzentrationen (0,05, 0,1, 0,2, 0,4, 0,8, 2, 4, und 10 mg/ml) herzustellen. Dann wurden verschiedene Konzentrationen von R-QD-Gelen mit dem gleichen Volumen in die gleiche Art von Formen gegeben und Blasen entfernt. Schließlich wurden die R-QD-Silikon-Komposit-Dünnschichten durch Aushärten bei 150 °C für 60 min hergestellt. Die O-QD-Silikon-Dünnschichten werden durch den gleichen Prozess mit unterschiedlichen Konzentrationen (0,05, 0,1, 0,2, 0,4, 0,8, 2, 4, 10, und 14 mg/ml) hergestellt.

Herstellung von komposite-QD Silikon-Gel-Dünnschichten mit unterschiedlichen Gewichtsverhältnissen von O-QDs zu R-QDs

Die komposite-QD Silikon-Gele mit unterschiedlichen Gewichtsverhältnissen von O-QDs zu R-QDs (10:1, 5:1, 5:2, und 5:4) wurden hergestellt, indem die hergestellten O-QD-Gele (10 mg/ml) und R-QD-Gele (2 mg/ml) mit unterschiedlichen Volumenverhältnissen (2:1, 1:1, 1:2, und 1:4) homogen gemischt wurden. Dann wurden die verschiedenen Konzentrationen der komposite-QD-Gele in die gleiche Art von Formen gegeben und Blasen entfernt. Schließlich wurden die komposite-QD Silikon-Gel-Dünnschichten durch Aushärten bei 150 °C für 1 h hergestellt.

Herstellung von komposite-QD Silikon-Gel-Dünnschichten mit unterschiedlichen Konzentrationen

Mit dem gleichen Gewichtsverhältnis von O-QDs zu R-QDs (10:1) wurden die komposite-QDs in verschiedene Volumen Silikon-Gele gemischt, um komposite-QD-Gele mit unterschiedlichen Konzentrationen (0,35, 0,5, 0,75, 1, 1,5, und 3 mg/ml) zu bilden. Dann wurden die hergestellten komposite-QD-Gele in die gleiche Art von Formen gegeben und Blasen entfernt. Schließlich wurden die komposite-QD Silikon-Gel-Dünnschichten mit unterschiedlichen komposite-QD-Konzentrationen durch Aushärten bei 150 °C für 1 h hergestellt.

Herstellung von WLEDs

LED-Chips (typisches 2835 Lead-Frame-Package) mit Emissionspeak bei 450 nm wurden für die Herstellung von WLEDs verwendet.

Grün-emittierendes LuAG:Ce Phosphor, O-QDs (10 mg/ml), R-QDs (2 mg/ml) oder komposite O-R QDs (Gewichtsverhältnis 10:1) wurden homogen mit Silikon-Gel (Dow Corning 6662, A:B = 1:4) gemischt, und das Gemisch wurde unter Vakuum entgast. Mit einer gängigen Verpackungsmethode basierend auf Silikon-Gel wurden vier verschiedene WLEDs entwickelt mit LuAG:Ce Phosphor, Phosphor und O-QDs, Phosphor und R-QDs, und Phosphor und komposite-QDs, jeweils. Schließlich wurden die oben genannten WLEDs durch Aushärten bei 150 °C für 1 h gehärtet.

Messung und Charakterisierung

Photolumineszenz (PL) wurde auf einem Ideaoptics FX2000-EX PL-Spektrometer aufgezeichnet. Transmissionselektronenspektroskopie (TEM) wurde an einem FEI Tecnai G2 Spirit TWIN Transmissionselektronenmikroskop bei 100 kV durchgeführt. Die Quantenausbeute (QE) Messungen wurden an einem OceanOptics QEpro QY Testsystem unter 365 nm Blaulaser-Bestrahlung durchgeführt. Die Lichtausbeute und optische Leistung wurden an einem EVERFINE ATA-1000 LED automatischen Temperaturkontroll-photoelektrischen Analyse- und Messsystem aufgezeichnet. UV-Vis-Absorption wurde mit einem Persee T6 UV-Vis-Spektrometer gemessen. Anregungsspektren und zeitaufgelöste PL-Spektroskopie (TRPL) wurden mit einem Edinburgh FLS920 Fluoreszenzspektrometer gemessen.

Ergebnisse und Diskussion

Die optischen Eigenschaften der beiden monochromatischen QDs wurden zunächst 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 ca. 20,6 und 43 nm. Die Positionen der gestrichelten Linien zeigen die PL- und Absorptionspeaks. Wie in den TEM-Bildern gezeigt, weisen die R-QDs und O-QDs eine kubische Morphologie mit einer durchschnittlichen Größe von 13 nm und 12 nm (Abb. 1c und d) auf. Die Inset-HRTEM-Bilder zeigen einen Gitterebenenabstand von 0,35 nm, der der (111)-Ebene der kubischen Phase ZnS zugeordnet werden kann.

Die optischen Eigenschaften der QD-Silikon-Dünnschichten, hergestellt aus den monochromatischen R-QDs und O-QDs mit unterschiedlichen Konzentrationen, werden weiter unter Anregung durch einen 365 nm Laser bei 15,88 mW/cm² getestet. Abbildung 2a und b zeigen die konzentrationsabhängigen PL-Spektren der QDs und ihre FWHM ist fast konstant. Abbildung 2c und d zeigen die PL-Intensität und absolute QE der monochromatischen QD-Silikon-Dünnschichten mit unterschiedlichen QD-Konzentrationen. Mit steigender Konzentration nimmt die PL-Intensität der R-QD-Silikon-Dünnschichten zu, bis die QD-Konzentration 2 mg/ml erreicht, und nimmt dann aufgrund von Konzentrationsquenching ab. Ähnlich wie die Variation der PL-Intensität erreicht die QE der QDs den höchsten Wert von ca. 85 % bei der gleichen Konzentration. Die PL-Intensität und QE der O-QD-Silikon-Dünnschichten zeigen einen ähnlichen konzentrationsabhängigen Trend wie die der R-QD-basierten Dünnschichten. Anders jedoch steigen die PL-Intensität und QE der O-QDs schnell bis zu einer QD-Konzentration von 4 mg/ml an und die maximalen Werte werden bei der Konzentration von 10 mg/ml erreicht. Wir schließen, dass dies auf den größeren Stokes-Shift der O-QDs im Vergleich zu den R-QDs zurückzuführen ist. Die maximale QE der O-QD-Silikon-Dünnschicht beträgt ca. 76 %, was bei der gleichen QD-Konzentration für die höchste PL-Intensität auftritt.

Zudem zeigen die 2 mg/ml R-QDs und 10 mg/ml O-QD-basierten Silikon-Gel-Filme auch die höchste PL-Intensität unter verschiedenen Anregungsleistungen, wie in Abb. S1 a und b gezeigt. Bei den oben genannten zwei Konzentrationen werden die optischen Eigenschaften der monochromatischen QDs effektiv bewahrt, was das PL-Quenching durch den Matrix-Effekt des Wirts abschwächt. Die Studie hilft, die geeignete Konzentration der monochromatischen QDs in Silikonfilm zu finden.

Um den Konzentrationseinfluss der QDs in den monochromatischen QD-basierten Silikon-Dünnschichten weiter zu untersuchen, werden die zeitaufgelösten PL (TRPL) Spektren der Dünnschichten mit unterschiedlichen Konzentrationen gemessen und die Abfallkurven in Abb. 3 dargestellt. Es ist bekannt, dass PL-Abfallkurven mit einer multi-exponentiellen Funktion ausgedrückt werden können, wie durch Gleichung 1 illustriert:

I(t) = Σ A_i exp(−t/τ_i)

wobei I(t) die PL-Intensität zum Zeitpunkt t ist, A_i und τ_i die relative Amplitude und die angeregte Zustandslebensdauer jeder exponentiellen Komponente des PL-Abfalls darstellen, und n die Anzahl der Abfallzeiten ist. Diese Abfallkurven, wie in Abb. 3a und b gezeigt, können gut durch eine doppelt-exponentielle Funktion gemäß Gleichung 1 angepasst werden.

Die Anpassungsparameter A_i und τ_i sind in Tabelle S1 und S2 aufgeführt. Die amplituden-gewichteten Lebensdauern der R-QDs und O-QDs werden als ihre Lebensdauern (τ_ave) für weitere Untersuchungen ausgewählt. Die Lebensdauer kann aus der folgenden Gleichung 2 berechnet werden und ist in Tabelle S1 und S2 aufgeführt:

τ_ave = (A₁τ₁ + A₂τ₂) / (A₁ + A₂)

Abbildung 3c und d zeigen die Lebensdauern der beiden monochromatischen QDs unter verschiedenen Konzentrationen. Beide Lebensdauern nehmen mit steigender Konzentration zu und die Steigerungsrate wird nach 1 mg/ml für die R-QDs und 2 mg/ml für die O-QDs langsamer. Dies deutet darauf hin, dass der Anstieg der Konzentration den Abstand zwischen den QDs verringert und somit den Energietransfer und die Selbstabsorption in den monochromatischen QDs verstärkt. Gleichzeitig ist der Anstieg der Lebensdauer bei O-QDs deutlicher als bei R-QDs, was auf mehr Energietransfer in O-QDs hindeutet. Allerdings scheint der Energietransfer bei niedriger Konzentration keine fluoreszierende Quenchung der QDs zu induzieren. Im Gegenteil, er könnte einen positiven Effekt auf die PL-Intensität und QEs haben, wie zuvor in Abb. 2 gezeigt.

Die optischen Eigenschaften der kompositen-QDs mit unterschiedlichen Gewichtsverhältnissen von R-QDs zu O-QDs wurden weiter untersucht. Die PL-Spektren der kompositen-QD-Dünnschichten sind in Abb. 4a dargestellt. Basierend auf den Spektren wird das komposite-QD PL-Peak-Intensitätsverhältnis von 631:605 (nm) in Abb. 4b extrahiert. Das Peak-Intensitätsverhältnis zeigt einen steigenden Anstieg mit dem R-QD-Anteil, was den Energietransfer von O-QDs zu R-QDs nahelegt. Abbildung 4c zeigt die Überlappung zwischen dem R-QD-Absorptionsspektrum und dem O-QD-Emissionsspektrum. Es deutet auf eine hohe Wahrscheinlichkeit des FRET-Prozesses hin, in dem die O-QDs als Donor und R-QDs als Akzeptor fungieren (gezeigt in Abb. 4d).

Die weitere Studie konzentriert sich auf den FRET-Prozess in kompositen-QDs. Abbildung 5a zeigt den Effekt von R-QDs (Akzeptor) auf die Emissionskinetik der O-QDs (Donor). Die TRPL-Intensität nimmt mit dem Anstieg des Akzeptors im Filmproben ab (analysiert bei der Peak-Donor-Emissionswellenlänge 605 nm). Abbildung 5b zeigt den Effekt 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 der Peak-Akzeptor-Emissionswellenlänge 631 nm). Die Abfallkurven in Abb. 5a und b können mit 2 Exponentialfunktionen angepasst werden, und die detaillierten Amplituden, Lebensdauerkomponenten und amplituden-gewichteten Lebensdauern der QDs sind in Tabelle S3 aufgeführt. Die Lebensdauer der O-QD-Probe betrug 30,25 ns. Wenn die Akzeptor-R-QDs eingeführt werden, verringert sich die Lebensdauer der Donor-O-QDs (Tabelle S3) aufgrund der Intervention des Energie-Transferkanals. Die Lebensdauer des Donors wird kürzer mit steigender Akzeptorkonzentration. Im Gegensatz dazu betrug die Lebensdauer der R-QD-Probe 13,08 ns. Wenn die Donor-O-QDs eingeführt werden, zeigen die Akzeptor-R-QDs einen Anstieg der Lebensdauer als Ergebnis der Energiezufuhr (Tabelle S3). Die berechneten Ergebnisse sind in Abb. 5c dargestellt, was die Phänomene deutlich demonstriert.

Der FRET-Prozess wird auch durch Energieübertragungseffizienz untersucht. Die Effizienz von FRET kann gemäß Lebensdauer wie durch Gleichung 3 berechnet werden:

E = 1 − τ_DA / τ_D

wobei τ_DA die Donor-Fluoreszenzlebensdauer in Gegenwart des Akzeptors ist, τ_D die Donor-Fluoreszenzlebensdauer in Abwesenheit des Akzeptors. Es zeigt sich, dass τ_DA umgekehrt proportional zur Energieübertragungseffizienz ist. Daher wird τ_DA kürzer und die Energieübertragungseffizienz steigt, wenn das Akzeptor-Donator-Verhältnis zunimmt. Größere Energieübertragungseffizienz spiegelt höheren Einfluss auf die Fluoreszenz wider. Wir analysieren weiter die FRET-Effizienz der kompositen-QDs in Abb. 5a. Die berechneten Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt und die Effizienz erreicht 33,2 % mit dem höchsten Anteil an Akzeptor. Gleichzeitig zeigt Abb. 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 kompositen-QDs und die Inkrementrate der Effizienz ist nahe an der der R-QDs. Dies deutet darauf hin, dass der Anstieg des Energietransfers empfindlich auf den Anstieg des Akzeptors reagiert.

Als beste Kontinuitätsspektrum für LED-Beleuchtung im orange-roten Licht werden die kompositen-QDs mit dem 1:10 Gewichtsverhältnis von R-QDs zu O-QDs für weitere Studien ausgewählt. Abbildung 6a zeigt die PL-Spektren der kompositen-QD-Silikon-Dünnschichten mit unterschiedlichen Konzentrationen der kompositen-QDs bei dem gleichen Gewichtsverhältnis von R-QDs zu O-QDs (R:O = 1:10). Neben dem Anstieg der Gesamt-PL-Intensität nimmt der Anteil des roten Lichts (631 nm) offensichtlich mit dem Anstieg der QD-Konzentration zu, wie in Abb. 6b gezeigt. Dieses Phänomen kann auf den verstärkten FRET mit steigender QD-Konzentration zurückgeführt werden. Zudem wird die Steigerungsrate des roten Lichts bei höherer QD-Konzentration langsamer. Dies könnte auf die Sättigung des Energietransfers (ET) unter den QDs zurückzuführen sein. Die absoluten QEs der QD-Silikon-Komposit-Dünnschichten zeigen jedoch eine weniger als 5 % Änderung mit unterschiedlichen Konzentrationen der kompositen-QDs, wie in Abb. 6c gezeigt. Es erscheint, dass 1,0–1,5 mg/ml die günstigste QD-Konzentration für komposite-QDs in der Anwendung ist, was hohe QEs mit geringer Spektralvariation sicherstellt.

Die TRPL-Abfallkurven der verschiedenen kompositen-QD-Konzentrations-Dünnschichten sind in Abb. S2 gezeigt. Tabelle S4 listet die Amplituden, Lebensdauerkomponenten und amplituden-gewichteten Lebensdauern für die kompositen-QDs auf. Ihre FRET-Effizienzen werden berechnet und in Tabelle S5 gezeigt. Darüber hinaus sind die Änderungen in Lebensdauern und FRET-Effizienz mit der Konzentration in Abb. 6d deutlich dargestellt. Im Detail zeigt die FRET-Effizienz einen abnehmenden Trend von 22 auf 9 % mit dem Anstieg der Konzentration. Gleichzeitig nimmt die bei der Emissionswellenlänge des Donor-O-QDs aufgezeichnete Lebensdauer mit steigender Konzentration zu (orange Punkte in Abb. 6d). Dies ist ähnlich der konzentrationsabhängigen Lebensdauer der reinen O-QD-Proben in Abb. 3. Es deutet auf die Existenz des kombinierten Effekts von FRET und Selbstabsorption (wie bei monochromatischen QDs) hin. Mit dem Anstieg der Konzentration führt die verstärkte Selbstabsorption zum Anstieg der τ_DA (der Donor-Fluoreszenzlebensdauer in Gegenwart des Akzeptors, wie in Abb. 6d, orange Punkte gezeigt), was die Inhibition des FRET zwischen kompositen-QDs (blaue Punkte in Abb. 6d) nahelegt. Bei der Akzeptor-R-QD-Emissionswellenlänge führt die verringerte FRET-Effizienz zu einem kleineren Anstieg der Lebensdauer bei hoher Konzentration (rote Punkte in Abb. 6d). Als Ergebnis zeigen die kompositen-QDs relative schwache konzentrationsabhängige Lebensdauern und könnten eine stabile QE aufrechterhalten, was der Anwendung der kompositen-QDs in LED-Anwendungen zugutekommt.

Um den Lichtkompensationseffekt der kompositen-QDs in der Beleuchtungsanwendung zu untersuchen, werden WLEDs hergestellt, indem grün-emittierendes LuAG:Ce Phosphor und O-QDs, R-QDs oder komposite-QDs (R:O = 1:10) gemischt und das Gemisch auf 450 nm emittierende GaN-Chips verpackt wird. Unter einem Treibstrom von 40 mA sind die Anregungs-Lumineszenz (EL) Spektren der hergestellten WLEDs in Abb. 7 illustriert. Die korrelierte Farbtemperatur (CCT) und Farbkoordinaten der WLEDs sind in Abb. S3 und Tabelle S6 gezeigt. Die vier WLEDs haben fast das gleiche Spektrum im blau-grünen Lichtbereich, aber unterschiedliche im orange-roten Lichtbereich. Außerdem zeigt die LuAG:Ce (nur)-basierte WLED den niedrigsten Farbwiedergabeindex (CRI) von 48,8 aufgrund des Verlusts des rot-orangen Lichtbereichs. Im Gegensatz dazu zeigt die komposite-QD-basierte WLED ein breiteres und flacheres Spektrum im orange-roten Lichtbereich und den höchsten CRI von 92,1. Im Vergleich zu den kompositen-QDs weisen die LuAG:Ce (nur) und R-QD-basierten WLEDs offensichtliche Lichtlücken im orangen Lichtbereich auf und zeigen große Unterschiede in CCT und Farbkoordinaten. Obwohl die O-QD-basierte WLED ähnliche CCT und Farbkoordinaten wie die komposite-QD-basierte WLED hat, fehlt ihr das rote Licht und sie weist einen viel niedrigeren CRI als die kompositen-QDs auf. Dies zeigt die vielversprechende Fähigkeit der kompositen-QDs, die Farbqualität von WLEDs zu verbessern.

Um die experimentellen Ergebnisse weiter zu bewerten, wurde die lichtausbeute der Strahlung (LER) gemäß der folgenden Formel berechnet:

LER = 683 lm/W_opt ∫ V(λ) P(λ) dλ / ∫ P(λ) dλ

wobei 683 lm/W_opt ein Normalisierungsfaktor ist. W_opt, V(λ) und P(λ) sind optische Leistung, die menschliche Augensensitivitätsfunktion und die spektrale Leistungsdichte der Lichtquelle.

Die LER-Ergebnisse sind in Tabelle S6 zusammengefasst und ähnlich wie frühere Berichte. Laut den Ergebnissen ist die LER der kompositen-QD-basierten WLEDs (Probe d) höher als die der R-QDs (Probe c) und niedriger als die der O-QDs (Probe b), weil menschliche Augen empfindlicher auf oranges Licht als auf rotes Licht reagieren.

Fazit

Zusammenfassend haben wir komposite orange-rote QDs (komposite-QDs) hergestellt und ihre optischen Eigenschaften und die Energietransferdynamik in den kompositen-QDs für LED-Anwendungen untersucht. Unsere Studie zeigt, dass die Konzentration der kompositen-QDs und der Anteil der Donor-QDs und Akzeptor-QDs eine wichtige Rolle in der Energieübertragungseffizienz und Spektralstabilität spielen. Gleichzeitig hat die Selbstabsorption einen signifikanten Einfluss auf den FRET zwischen verschiedenen monochromatischen QDs in den kompositen-QDs. Eine relativ stabile und hohe QE kann durch Anpassung des Donor-zu-Akzeptor-Verhältnisses in den kompositen-QDs erreicht werden, was sinnvoll ist, um die Farbqualität von WLEDs durch Kompensation der Lichtlücke im orange-roten Bereich zu verbessern. Als Ergebnis zeigt die WLED, die auf den kompositen-QDs basiert, eine stark verbesserte Farbqualität und ein natürlicheres Lichtspektrum im Vergleich zu den Spektren der monochromatischen QD-basierten WLEDs.