量子点背光技术的研究进展

量子点材料因具有发光波长可调,色度纯,量子效率高等优异特性而受到广泛关注,在光致发光高色彩显示方面有着巨大的应用潜力。本文综述了量子点背光技术的研究进展,主要对比了QDs On-Chip、QDs On-Surface及QDs On-Edge 3种量子点背光主流技术的基本原理及结构,并分析了它们在液晶显示领域的应用,未来前景及面临的挑战;然后介绍了几种新型的量子点背光技术,并对两种量子点背光新技术进行重点说明:一种是采用低温注塑成型工艺将量子点与高分子材料均匀混合为一体,用于制备直下式背光的量子点体散射型结构扩散板;另一种新技术是采用丝网印刷或喷墨打印工艺将量子点转印至导光板表面,形成应用于侧入式背光的量子点网点微结构导光板。这两种背光都具有制备工艺简单、成本低、生产效率高等特点,对高色域液晶显示的研究及发展意义深远。     

红、绿CdSe@ZnS量子点配比对三波段标准白光LED器件的影响

将一步法合成的具有梯度合金结构的红光、绿光CdSe@ZnS量子点与硅胶均匀混合后,作为光转换层涂覆到蓝色InGaN LED芯片上,制备了不含荧光材料的三波段白光LED器件。研究了峰值为650 nm和550 nm的高效率红、绿量子点在硅胶中的含量及配比对白光LED色坐标以及效率的影响。结果表明,当红、绿量子点配比为2：3时,可得到发射纯正白光的QDs-LED器件,色坐标为（0.322 8,0.335 9）、色温为5 725 K,功率效率为26.61 lm/W,显色指数为72.7。光谱中红、蓝、绿三色发光峰的半高宽分别为30,25,38 nm,表明器件具有很好的单色性和高色纯度。     

手机侧背光照明导光板设计模拟

 为了提高手机侧背光照明导光板的亮度及亮度均匀性,对上表面为41 mm×26 mm的楔形导光板进行了模拟仿真,并对导光板底面不同的印刷式散射网点排布、不同的楔形导光板底面角度及不同的球缺形凸包网点排布进行了研究。结果显示,导光板底面排布印刷式散射网点时,导光板上表面亮度分布的均匀性较差,而出射光通量的百分比小于26%;当导光板底面排布球缺形凸包网点时,导光板上表面亮度分布的均匀性得到提高,出射光通量的百分比提高10%。楔形导光板底面角度81°时的出光效果优于85°时的效果。     

高色域量子点LED及其在背光显示中的应用研究

量子点因其独特优异的光学特性而被广泛应用于发光领域,其中最突出的特点是光谱调谐方便,只需要改变材料的尺寸,就可实现发光光谱的调谐。结合实际应用的需要,选取CdSe材料作为主要研究对象,通过改进工艺,采用希莱克技术隔绝水氧,使用高温热注入法,调整原料中镉源和锌源,硒源和硫源的比例,获得了尺寸分别约为6.0和4.2 nm,发光峰分别为625和525 nm,半高宽分别为30和28 nm,荧光量子产率分别达到82%和61%的粒径均一、色纯度高且高效稳定核壳结构CdSe/ZnS红光和绿光量子点材料。然后对量子点LED在背光显示中的应用进行了研究,采用合成的红光和绿光量子点材料替代传统工艺中的荧光粉材料,通过改进封装方式,对量子点光转换层采用双层环氧树脂AB胶保护,同时引入PMMA透镜包覆,从根本上隔绝水氧。最终得到的量子点白光LED,红绿蓝光发射峰分别为630, 535和453 nm,半高宽别为20, 28和30 nm,三段光谱发射峰两侧对称性良好,有效解决了传统荧光粉白光LED在红色光谱波段缺失的问题,并同时实现了单色性好、色纯度高、色彩饱和度高等优点。在LED积分球光色电测试系统中20 mA电流条件下测试,得到了CIE色坐标为(0.329, 0.324)的白光量子点LED,这是非常接近标准白光的色坐标。其色温为5 094 K,光效达到94.72 lm·W-1,显色指数Ra可达78.6,寿命超过400 h。最后对量子点LED灯条进行封装得到背光源,根据测试获取的白光量子点LED发射光谱,可以得到sRGB颜色三角形,即色域,通过对比NTSC1931标准色域,得到了色域覆盖率可以达到109.7%的高色域量子点LED背光源。开发的LED背光由240个白光量子点LED制成,并且首次成功演示了29英寸液晶电视面板,这一结果将进一步开发量身定制的量子点,特别是在高性能显示器应用领域。     

混合量子点QLED结构性能研究

为研究基于混合量子点的QLED结构与性能,利用红光量子点以及绿光量子点两种材料制备了橙光QLED器件,并对其性能进行了表征。实验制备的器件结构为ITO/PEDOT∶PSS/poly-TPD/混合QDs/Zn O/Al,其中发光层采用了3种混合量子点的混合结构方案。方案一先旋涂红光量子点层,后旋涂绿光量子点层;方案二先旋涂绿光量子点层,后旋涂红光量子点层;方案三将红光、绿光量子点1∶1混合后制备为发光层。实验结果表明:方案一制备的器件电流密度最大,发光亮度最低,且只有红光谱;方案二制备的器件具有最小的电流密度,同时具有红、绿光谱,在8 V电压下,电流效率约为4.69 cd/A;方案三制备的器件同时具有红、绿光谱,电流密度与发光特性介于方案一与方案二之间。实测数据与理论分析是一致的,方案二制备的器件存在双能量陷阱,能够将注入的空穴以及电子同时限制在红光量子点层内。通过调节各功能层厚度使得载流子注入平衡,可进一步增大发光电流,提高器件效率。     

GaN基低色温高显色白光LED

采用440nm短波长InGaN/GaN基蓝光LED芯片激发高效红、绿荧光粉制得高显色性白光LFD,研究了不同胶粉配比对LED发光性能的影响,结果表明,A胶、B胶、绿粉、红粉比重在0.5∶0.5∶0.2∶0.03时,在440 m蓝光激发下呈现了有两个谱带组成的发光光谱,分别是峰值为535 nm的特征光谱和643nm的特征光谱,胶粉通过均匀调配后能够有效的进行混光产生低色温白光,实验中最低色温可达3 251K,显色指数高达88.8,这比传统蓝光激发YAG荧光粉制得的白光LED色温更低,显色指数提高了26%.     

量子点、钙钛矿色转换全彩显示应用研究进展

量子点具有色纯度高、发光颜色可调和荧光量子产率高等诸多优良的光电特性,已成为一类非常重要的发光材料,在显示及照明领域都受到了广泛的关注。目前,量子点材料的显示应用主要是基于其光致发光特性,或者说色转换特性,用于提升液晶面板的显示色域、或者与蓝光主动发光器件搭配实现全彩显示。本文首先综述常规量子点(CdSe、InP)在液晶显示方面的应用研究进展,详细阐述了量子点集成到液晶显示器面板中所需要考量的面板架构、光学特性、可靠性、制程工艺等一些关键问题;然后,进一步对量子点色转换主动发光显示应用进行了分析,就如何获得高效色转换、量子点材料图案化以及搭配蓝光发光器件的光学集成问题进行重点关注;最后,针对当前受到广泛关注的钙钛矿材料,就其色转换全彩显示应用研究进展进行了分析。     

基于InP/ZnS核壳结构量子点的色转换层设计及制作

提出了采用环境友好型InP/ZnS核壳结构量子点材料制备匹配蓝光Micro-LED阵列的量子点色转换层以实现Micro-LED阵列器件全彩化的技术方案。通过采用倒置式量子点色转换层方案,实现了InP/ZnS量子点材料和Micro-LED阵列的非直接接触,从而可以缓解LED中热量聚集导致的量子点材料发光主波长偏移、半峰宽展宽以及发光效率衰减等问题。量子点色转换层中内嵌PDMS聚合物柔性膜层,可以消除咖啡环效应,同时,色转换层中内嵌飞秒激光图案化处理的500 nm长波通滤光膜层,可以抑制蓝光从非蓝色像素单元出射。最后,实验制备了像素单元中心间距90μm的16×16 InP/ZnS量子点色转换层。该设计可以实现基于蓝光Micro-LED阵列的全彩色Micro-LED显示器件的制备,并且该制备方法可以降低全彩色Micro-LED阵列显示器件的制备成本。     

基于NaYF_4:Yb~(3+),Er~(3+)上转换发光材料的色彩设计

采用共沉淀法制备β-NaYF4:Yb3+,Er3+。X射线衍射图谱结果表明退火有利于β相生长。样品在970nm处有一强烈吸收峰,利用980nm激光激发样品,实现红、绿、蓝三色上转换发光;其中蓝光相对较弱,红、绿光的发射峰分别为521,539,659nm。速率方程表明红、绿发射对应跃迁均是双光子过程,实验结果与理论分析相符。此外,对红、绿发射带面积比的研究表明激发功率和Yb3+掺杂量影响发光颜色;进而可实现简便的色彩设计。     

基于量子阱结构的混合型白光有机发光器件

以荧光材料BePP2结合量子阱作为蓝光发射层,磷光材料GIrl和R-4B掺入到混合双极性主体材料CBP∶Bphen中分别作为绿、红发光层并且在红绿发光层中引入间隔层TPBI,组合得到发白光的混合型有机发光器件。其中量子阱是以BePP2作为势阱、TCTA为势垒。结果表明:当势垒层数为2时,器件的最大发光亮度和电流效率分别为21 682.5 cd/m2和23.73 cd/A;当电压从7 V增加到14 V时,色坐标从(0.345,0.350)变化到(0.340,0.342)。与无量子阱结构的参考器件相比,势垒层数为2的器件的最大功率效率为8.07 lm/W,色坐标变化相对最小为±(0.005,0.008),还有一个高的显色指数83。     

基于Cu掺杂ZnInS和ZnCdS量子点的高显色性白光LED

利用胶体化学方法合成了发光波长可调的Cu掺杂量子点, 其波长范围可从绿光到深红光连续调节.通过将绿光ZnInS :Cu和红光ZnCdS :Cu量子点与蓝光GaN芯片相结合, 制备了高显色性的白光LED, 其流明效率为71 lm·W^-1, 色温为4 788 K, 显色指数高达94, CIE色坐标为(0.352 4, 0.365 1).通过测量Cu掺杂量子点的荧光衰减曲线, 发现不存在从绿光ZnInS :Cu到红光ZnCdS :Cu量子点的能量传递过程, 因为红光ZnCdS :Cu量子点在绿光波段没有吸收. 实验结果表明, Cu掺杂量子点有望应用于固态照明领域.     

High Color-Rendering Index and Stable White Light-Emitting Diodes Based on Highly Luminescent Quantum Dots

Solid-phase color converter-based quantum dots (QDs) white light-emitting diodes (WLEDs) have become promising next-generation solid-state light sources. However, the development of these WLEDs’ production still suffers from constraints involving insufficient color-rendering index (CRI), low color stability, and short operation lifetimes. Here, thick-shell Cd_0.05Zn_0.95S/CdSe/Cd_xZn_1–xS spherical quantum wells are developed with good color tunability from green to red regions and high photoluminescence quantum yield (up to 88% for green wavelengths). QDs with five emission colors are used to fabricate a series of WLEDs, which possess a good correlated color temperature tunability from warm (3210 K) to cool (22 000K) white light, and a high CRI Ra (>90). Specifically, the neutral white light device with Commission Internationale de l´Eclairage (CIE, International Commission on illumination) of (0.36, 0.36) and the standard white light device with CIE of (0.33, 0.33) achieve a CRI Ra up to 95.8 and 95.11, respectively, they also exhibit long operating life and great color stability. These results indicate that the improvement of the performance and stability of the WLED based on thick-shell spherical quantum wells is remarkable progress in the commercialization of QD-based solid-state lighting.     

含有量子点的双波长LED的光谱调控

本文通过对含有高In组分量子点的双波长LED进行了模拟计算, 并对器件的能带结构、载流子浓度、复合速率和辐射光谱进行了研究. 通过对器件结构的调整与对比, 发现蓝绿双波长LED的绿光量子阱中加入高In组分量子点后可以拓宽辐射光谱, 使LED光谱具有更高的显色指数, 为实现无荧光粉的白光LED提供指导. 量子点对载流子具有很强的束缚能力, 并且载流子在量子点处具有更短的寿命, 载流子优先在量子点处复合, 量子点处所对应的黄光与量子阱润湿层所对应的绿光的比例随量子点浓度的增大而增大, 载流子浓度较低时以量子点处的黄光辐射为主, 载流子浓度变大后, 量子点复合逐渐达到饱和, 绿光辐射开始占据主导. 对间隔层厚度和间隔层掺杂浓度的调节可以很方便地调控载流子的分布, 从而实现对含有量子点的双波长LED两个活性层辐射速率的调控. 结果表明, 通过对量子点浓度、间隔层厚度、间隔层掺杂浓度的控节可以很好地实现对LED辐射光谱的调控作用. 关键词： GaN 量子点 光谱调控 双波长LED     

基于CdSe/ZnS量子点光转化层的高稳定性白光LED器件

采用一步法合成了510,550和630 nm三种峰值的高稳定性、高量子效率核壳结构CdSe/ZnS量子点材料,其量子产率分别达到82%,98%,97%。将该量子点材料取代传统的荧光粉材料,与硅胶均匀混合后作为光转换层涂覆到蓝色InGaN LED芯片上,制备了白光LED器件。通过依次添加不同颜色量子点制备的量子点光转换层,考察了510,550和630 nm三色CdSe/ZnS量子点在硅胶中的不同配比对白光LED器件性能的影响,研究了不同颜色量子点之间的能量转换机制,利用量子点对白光光谱及其色坐标的影响机制,得到优化的白光器件结果及其三色量子点的配比,结果表明,当绿色、黄绿色、红色三种量子点之间的配比为24∶7∶10时,得到高稳定性、高效率的正白光器件特性,在电流20～200 mA范围内,色温变化为4 607～5 920 K,色坐标变化为（0.355 1,0.348 3）～（0.323 4,0.336 1）,显色指数变化为77.6～84.2,器件最高功率效率达到31.69 lm W-1@20 mA。另外,为了进一步考察器件性能稳定的原因,研究了时间、温度以及UV处理对CdSe/ZnS QDs/硅胶混合光转换材料稳定性的影响,结果表明,器件的高稳定性可归因于所采用的一步法合成的核壳结构量子点材料本身的稳定性,研究的优化器件结果是一种低能耗的优质白光光源,可使人们真实地感知物体的原貌,在正白光光源领域具有很好的应用前景。     

White light-emitting quantum dot diodes and tuning of luminescence processes

A novel white light-emitting diode based on a large Stokes shift (~200 nm) and using pure green light-emitting CdSeS quantum dots (QDs) with an Ag/ZnSnO/QDs/spiro-TPD/ITO structure has been fabricated in which ZnSnO and spiro-TPD are served as the electron and hole transport layer, respectively. The large Stokes shift of the CdSeS QDs excludes potentially Förster resonance energy transfer process, which allows spiro-TPD to act as both an emitter and hole transport layer. The devices exhibit a wide EL spectrum consisting of three components: blue emission from spiro-TPD, green emission from QD band–band recombination, and red emission from QD surface-state recombination. We further found that as the intensity ratios among these three components vary with bias the color of the QD light-emitting diodes is tunable. The device displays a good white light-emitting characteristic with CIE coordinates of (0.281, 0.384) at an appropriate bias.     

Fabrication of rare-earth/quantum-dot nanocomposites for color-tunable sensing applications

We developed a new fluorescent nanocomposite by using a layer-by-layer approach to link NaYF₄:Ce,Tb rare-earth (RE) nanocrystals and CdSe/ZnSe semiconductor quantum dots (QDs) with opposite charges. Under ultraviolet light excitation, the nanocomposites exhibited both the green Tb emission centered at 550 nm, and the red QD emission at 650 nm. Sensing applications showed that the red QD emission was quenched by trace amount of Cu²⁺ (or Ag⁺) ions due to the ion displacement mechanism, while the green RE emission kept constant. Thus, the nanocomposites with the decreased QD/RE emission intensity ratio and changed fluorescence output color provided a visible “indicator” to detect metal ions quantificationally. In comparison with single emission materials, the dual emission nanocomposites can be a more reliable probe for various sensing applications.     

A confocal laser scanning microscopic study on thermoresponsive binary microgel dispersions incorporated with CdTe quantum dots

Monodisperse poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) particles loaded with cadmium telluride (CdTe) quantum dots (QDs) of two different sizes (4.7 nm and 5.6 nm) were synthesized in aqueous medium by bonding the capping agent on the quantum dots to the amide groups of PNIPAM and incubating the samples at 45°C. A huge increase in the photoluminescence (PL) intensity (green and red regions) is observed for the PNIPAM-CdTe QDs composites compared to the parent CdTe QDs. We report here for the first time the imaging of binary dispersion of green and red luminescent PNIPAM-CdTe QDs composites using a fluorescence confocal laser scanning microscope. These composites have potential applications both in material science and biology.