量子点荧光粉发光机理、LED制备及用于可见光通信的带宽特性研究

发布时间：2020-01-29 07:57

【摘要】：随着量子点技术的发展与应用,量子点荧光粉白光LED有可能成为下一代照明光源,具有节能、环保、发光效率高、发光稳定等优势。以CdSe为核的量子点材料发光光谱涵盖大部分可见光区,配合蓝光GaN芯片易于制成白光LED,但含有Cd重金属元素,不符合无毒绿色环保等更高要求,所以研究了以ZnCuInS为核的量子点荧光粉材料,制成固态白光LED。为了研究液态LED特性,制备了液态ZnCuInS/ZnS核/壳结构白光LED;制备了液态AgInS2量子点、利用YAG荧光粉混合形成白光液态LED,并与固态AgInS2量子点白光LED做对比分析。细致研究了量子点荧光粉白光LED的发光机理,制备了四种不同类型的典型LED器件,通过实际电路说明量子点LED在可见光通信领域的广泛应用前景。主要工作有以下五个部分:1.研究胶体量子点的电子结构和荧光辐射机理。利用有效质量近似理论,构建了胶体量子点中的激子模型,并给出激子系统的哈密顿量。对球形胶体量子点结构,在无限深和有限深势阱模型条件下,推导得出激子的能级结构,并进一步推导出电子和空穴库伦作用能量,形成胶体量子点的电子结构。以CdSe和PbSe、CuInS2和CuInSe2胶体量子点为例,计算出禁带宽度和电子结构。分析总结了胶体量子点荧光辐射特性以及非辐射能量转移的机制。2.研制出基于CdSe/CdS/ZnS核/壳/壳量子点荧光粉的白光LED。通过热注射方法合成出有机相CdSe/CdS/ZnS核/壳/壳量子点,发光峰分别是615nm红光和545nm绿光。在真空环境下,利用超声波处理技术,混合OE6630型AB硅树脂胶并形成红色和绿色荧光粉,涂敷在蓝色GaN芯片上,形成复合白光LED。研究了不同组分特性,适当增加红色和绿色量子点荧光粉,白光LED从冷白色(色坐标(0.283,0.289),色温9630K)变化至暖色偏黄(色坐标(0.367,0.367),色温4320K);研究了不同LED供电电压对其色坐标和色温影响,当工作电压从2.8V提高到3.2V时,其色坐标从(0.341,0.384)变化至(0.285,0.285),色温从5210K升高至9620K;研究了LED器件工作电压在2.8V的稳定性。说明CdSe/CdS/ZnS核/壳/壳量子点作为白光LED光转换荧光粉是可行的。3.研制出基于ZnCuInS/ZnSe/ZnS核/壳/壳量子点荧光粉的白光LED。通过高温注射法合成无毒的ZnCuInS/ZnSe/ZnS核/壳/壳量子点,直径分别为2.3nm、2.7nm和3.2nm,发光峰分别为(绿色)545nm、(黄色)583nm和(红色)611nm。通过吸收和光致发光光谱表征发现有约400meV斯托克斯位移,分析原因可能是量子点复合机制与缺陷能级有关,并通过温度特性实验加以证明。混合黄色发光的ZnCuInS/ZnSe/ZnS核/壳/壳量子点和EP-3400胶,形成了黄色荧光粉,旋涂在蓝色452nmGaNLED芯片的表面,通过蓝黄色互补形成白光LED,研究了工作电压在2.5至3.2V变化时,该白光LED发光光谱特性和热效应。4.研制出液态ZnCuInS/ZnS量子点补偿结构白光LED。通过Klimov方法合成液态ZnCuInS/ZnS量子点,发光峰为(黄色)583nm,置于蓝光GaN发光LED顶部,黄色与蓝色混合形成白光。在2.8V激发时,该LED色坐标为(0.3796,0.3284),显色指数77,色温3567K。制备了发光峰为640nm红光的AgInS2量子点,混合在BIDE6321紫外胶中,和YAG荧光粉,依次涂敷在460nmGaN蓝光LED芯片上,形成固态混合结构的LED。同时制备了AgInS2液态形式的白光LED,固态和液态AgInS2量子点LED对比发现,同等条件下液态LED的发光强度提高约40%、发光效率提高大于10%、稳定性提高3倍以上。5.将ZnCuInS量子点白光LED作为可见光无线通信的信号发射端。设计简单发射和接收电路,测试ZnCuInS量子点LED和YAG荧光粉LED带宽特性,测得ZnCuInS量子点LED带宽为4.1MHz,明显优于YAG荧光粉LED,证明了其在可见光无线通信领域的广泛应用前景。
【图文】：

对比图,量子点,体相,胶体

图 1.1 体相晶体、胶体量子点和小分子溶液对比图1.1.2 量子点特性由于量子点材料中载流子运动受限明显，导致半导体能带结构有类似于原子的分立能级结构，表现出与相应固态宏观材料完全不同的光、电特性。(1)量子尺寸效应

吸收光谱,吸收光谱,尺寸,量子点

.2 尺寸从 1.2 至 11.5nm 的 CdSe 量子点的吸效应，，即使量子点是完全相同的同一种材料点因为尺寸的不同也会发出不同的荧光。所节出需要的荧光光谱，如图 1.3 所示[3]。不同尺紫外灯照射下，发出不同颜色的荧光。寸的 CdSe/ZnS 核/壳量子点在同一紫外灯激发[4,5]取决于纳米颗粒表面原子数与整个纳米颗粒
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN312.8

【参考文献】