Vloeistoftype, niet-toxische fotoluminescente nanomaterialen voor witte lichtgevende dioden van hoge kleurkwaliteit

Resultaten en discussie

Afbeelding 1a illustreert het netwerk van P-Si QD's (linker paneel) en met stikstof gedoteerde GQD's (rechter paneel) en het vloeibare QD LED-pakket. P-Si QD's met bio-sondes kunnen worden vervaardigd met behulp van nieuwe top-down-methoden, waaronder elektrochemisch etsen op een kristallijne Si-wafel [38, 40]. Figuur 1b-e geeft de absorptie-, PL-excitatie- en emissiespectra weer van GQD1, GQD2, GQD3 en P-Si QD's. De zwarte en rode stippellijnen geven respectievelijk de absorptie- en excitatiespectra van de QD's aan. De PL-spectra van de onderzochte QD's bedekten een groot deel van het zichtbare gebied. De volledige breedte bij half maximum (FWHM) waarden van GQD1, GQD2, GQD3 en P-Si QD's waren respectievelijk ongeveer 370, 325, 330 en 250 nm golflengten. De sterke emissiebanden werden waargenomen bij 465 en 488 nm voor GQD1 en bij 535 nm voor GQD2 na een excitatie van 327 nm. Een emissiegolflengtepiek werd waargenomen bij 557 nm toegeschreven aan GQD3 voor twee sterke excitatiepieken (311 en 465 nm), en een sterke emissiepiek bij 606 nm van P-Si QD's werd opgewekt als gevolg van een excitatiepiek bij 374 nm. Uit de PL-resultaten kan worden afgeleid dat een kortegolfpomp de voorkeursbron was omdat de absorptie en excitatie van alle armaturen het sterkst waren in het UV-gebied. Daarom werd een 365 nm UV-LED gekozen als geschikte bron om een ​​hoge conversie-efficiëntie in de onderzochte QD's te realiseren. De kwantumopbrengsten van GQD1, GQD2, GQD3 en P-Si QD's bij 365 nm excitatie waren respectievelijk ongeveer 1,4%, 1%, 9,1% en 50%. Het resultaat laat zien dat de meeste GQD-NP's monolaag of dubbellaags waren en dat de P-Si QD's ongeveer 40-500 nm groot waren, wat wijst op een meerlagige composietstructuur. Figuur 2a, b geeft de transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en TEM-beelden met hoge resolutie weer die de morfologie en kristalstructuur van het GQD-mengsel verduidelijken. De grootte van de grafeen-QD's bleek 5 nm te zijn, wat overeenkomt met de afstand van (\( 1\overline{1}00 \)) vlak en een roosterafstand van 0,22 nm [41]. Figuur 2c is een scanning elektronenmicroscopie (SEM) afbeelding die het bovenaanzicht van Si-deeltjes toont. De deeltjesgrootte was ongeveer in het bereik van 40-500 nm groot. Verder werden de weinige P-Si QD's gevonden met een grootte van ongeveer 10 nm op de oppervlakken van Si-deeltjes.

Transmissie-elektronenmicroscopie en scanning-elektronenmicroscopiebeelden van NP's. een Morfologie van het grafeen QD-mengsel met een deeltjesgrootte van ongeveer 5 nm zoals gekenmerkt door a TEM en b hoge resolutie TEM. c SEM-beeld (bovenaanzicht) van de 40 nm–500 nm siliciumdeeltjes

De LED's die in dit onderzoek wit licht van hoge kwaliteit uitstraalden, bestonden uit verschillende nanomaterialen met verschillende emissiepieken om een ​​breed scala aan kleuren te dekken. Om de monochromaticiteit van deze emitterende materialen te onderzoeken, werden de LED-pakketten van het vloeibare type GQD1, GQD2, GQD3 en P-Si QD gepompt met behulp van een 365-nm UV-chip, en hun emissiespectra werden vastgelegd in Fig. 3. De spectra van GQD1 vertoonde een emissiepiek bij 440 nm en bedekte een groot deel van het blauwe golflengtegebied om blauwe stralen op te leveren, zoals getoond in figuur 3a. Het blauwe golflengtegebied in het spectrum van GQD2 was iets kleiner dan dat van GQD1. Bijgevolg straalde GQD2 van het vloeistoftype groenblauw licht uit met een emissiepiek bij 538 nm (figuur 3b). De emissiespectra van GQD3 van het vloeistoftype hadden een sterke gele piek (550 nm), waardoor GQD3 chartreuse-licht uitstraalde zoals weergegeven in figuur 3c. Na UV-pompen laat figuur 3d zien dat het P-Si QD-pakket van het vloeistoftype oranje stralen uitzond met een sterke piek bij 636 nm. De monochromaticiteit van QD-LED's vertoonde verschillende golflengten met merkbare veranderingen voor de PL-analyse (vergelijk met Fig. 1b-d). De belangrijkste oorzaak van de verschillende emissiegolflengten was de verschillende pompbron. Als excitatielichtbron werd een 365 nm UV-led gebruikt; dit betrof een excitatiegolflengte van 327 nm voor GQD1 en GQD2, een golflengte van 311 nm voor GQD3 en een golflengte van 374 nm voor P-Si QD's [42, 43]. Na het vormen van composietmengsels vertoonden alle grafeen- en P-Si QD's brede spectrale banden die wit licht van hoge kwaliteit met hoge CRI-waarden genereerden.

Spectra van het vloeibare type monochrome QD LED-pakket voor a GQD1, b GQD2, c GQD3 en d P-Si QD bij een stroomsterkte van 60 mA

Afbeelding 4a, b toont de spectra van afgifte- en vloeistoftype witte PL QD-LED's bij 60 mA. De GQD-LED van het vloeibare type gaf neutraal wit licht bij een gecorreleerde kleurtemperatuur (CCT) van 5600 K met een lichtopbrengst van ongeveer 20,3 lm/W; de emissiespectra bestaan ​​uit een piek gecentreerd op ongeveer 548 nm. Het GQD/P-Si QD vloeistoftype LED-apparaat leverde een warmwit licht met een CCT van 3900 K en een lichtopbrengst van ongeveer 19,1 lm/W met een emissiepiek op 625 nm in figuur 4a. De afgiftemonsters vervaardigd met behulp van de GQD-oplossing en de GQD/P-Si QD-mengsels vertoonden CCT-waarden van 6300 en 4300 K en emissiepieken werden verkregen bij respectievelijk ongeveer 642 nm en 611 nm golflengten. De verkregen lichtopbrengstwaarden bleken respectievelijk 16,2 lm/W en 14,5 lm/W te zijn voor GQD neutraal witte LED's en GQD/P-Si QD voor warmwitte LED's. In vergelijking met het vloeistoftype monster zijn de PL-emissiepieken van de afgiftemonsters roodverschoven vanwege QD-zelfaggregatie, die wordt veroorzaakt door de afwezigheid van een drageroplossing [44,45,46]. Verder worden de kleine deeltjes samengevoegd tot grotere deeltjes, waardoor de energieoverdracht wordt gediversifieerd [47,48,49,50]. Aan de andere kant kan het gebruik van een mengsel van QD's de onbedoelde energieoverdracht tussen verschillende kleuren QD's veroorzaken. De uitstekende CRI van een witte LED kon worden gemoduleerd door het fenomeen van energieoverdracht, maar veroorzaakte de lichtreductie [51]. Als we verwachtten de onbedoelde energieoverdracht te voorkomen, zou de zij-aan-zij structuur van het vloeibare type QD LED, vervaardigd door printen, in de toekomst kunnen worden gepland, wat werd verwezen naar het onderzoek van M.K. Choi et al [52]. De LIV-curvespectra van niet-toxische w-LED's zijn uitgezet in figuur 4c. De maximale uitgangsluminantie van de w-LED's was ongeveer 552 cd/m ² bij 230 mA voor de CQD w-LED van het vloeistoftype, en de afgiftemonsters hadden lagere luminantiewaarden. De inschakelspanning was ongeveer 3 V en alle monsters werden aangestuurd met een vergelijkbaar ingangsvermogen. Afbeelding 4d geeft de CRI weer van GQD/P-Si QD-dosering en monsters van het vloeistoftype bij huidige injectiewaarden variërend van 1 tot 300 mA. Het pakket van het vloeistoftype was stabieler en verhinderde de zelfaggregatie en de spectrale roodverschuiving, die de CRI handhaafde. We hebben de verhouding van QD-menging aangepast om deze uitstekende kleurkwaliteit te bereiken. De warmwitte LED's van het vloeistoftype hadden een uitstekende CRI van 95. De monsters van het vloeistoftype vertonen een hogere algemene CRI (Ra)-waarde in vergelijking met de afgiftemonsters. Verder is de lagere CRI van de afgiftemonsters toe te schrijven aan de QD-zelfaggregatie en de spectrale roodverschuiving van het afgiftemonster. De afwezigheid van gele en groene emissies en de versterking van oranje en rode emissies verminderde Ra [32]. Wanneer Ra niet werd verlaagd, kon het gebruik van het vloeistoftype pakket de vormen van de emissiespectra behouden. De CIE-chromaticiteitscoördinaten van het vloeistoftype en de afgiftemonsters lagen dicht bij de Planckiaanse locus. De CRI-waarden voor R1-R9 volgen de dalende trend. Dit komt door het roodverschuivingsverschijnsel dat optrad na het afgifteproces. De vloeibare GQD/P-Si QD witte LED vertoonde een uitstekende R9 (88) bij 3900 K. De hoge R9-waarden zijn wenselijk vanwege hun associatie met sterke rode emissies, die verband houden met organische weefsels [53]. Op basis van CRI-waarden kan van hieruit worden weergegeven dat de monsters van het vloeistoftype beter zijn dan de afgiftemonsters. Het gedoseerde monster heeft een lage CRI-waarde vanwege zelfaggregatie, intensiteitsreductie en roodverschuiving van de conforme QD-LED's. Verder zijn er verschillende onderzoeken naar grafeen QD-LED's gepubliceerd. Maar er zijn nog maar weinig onderzoeken die de CRI-waarden van QD-leds hebben aangetoond. Daarom werden in de huidige studie op QD gebaseerde WLED's gefabriceerd met uitstekende CRI-waarden, zoals weergegeven in tabel 1.

PL-spectra van (a ) vloeibare grafeen QD bij een CCT van 5600 K en vloeibare GQD/P-Si QD witte LED bij een CCT van 3900 K. b Doseren grafeen QD en grafeen/P-Si QD witte LED's. c Het LIV-curvespectrum van de niet-toxische w-LED's aangedreven bij 1-300 mA. d CRI-spectra voor GQD + P-Si-dosering en LED's van het vloeistoftype aangedreven bij 1-300 mA

Afbeelding 5 geeft de gemiddelde oppervlaktetemperatuur en stroomafhankelijkheid weer van witte LED's van het vloeistoftype en afgifte. De stroomafhankelijke oppervlaktetemperaturen werden gemeten als de gemiddelde temperatuur over het oppervlak van het apparaat, gedurende een periode van 2 minuten, waarbij het apparaat werd aangedreven van 1 tot 250 mA. Van de twee voorbereide structuren vertoonden de afgiftemonsters de lagere lichtopbrengst en de hogere oppervlaktetemperaturen; dit wordt toegeschreven aan het vasthouden van warmte in het pakket. Vergelijking (1) werd gebruikt om de warmtedissipatie in het apparaat te berekenen als het verschil tussen het ingevoerde elektrische vermogen en de gemeten lichtintensiteit:

Gemiddelde oppervlaktetemperatuur en stroomafhankelijkheid van vloeistoftype en witte afgifte-LED's

waar P_elec. is het geïnjecteerde elektrische vermogen; P_warmte en P_opt. zijn respectievelijk de opgewekte warmte-energie en het optische vermogen nadat het ingangsvermogen is geïnjecteerd; Ik_f en V_f zijn respectievelijk de aandrijfstroom en voorwaartse spanning bij LED-bedrijfsomstandigheden; Ø_v is de totale lichtstroom; en W_opt is de lichtopbrengst van optische straling (LER) van de LED's. De belangrijkste reden voor het verschil in de oppervlaktetemperatuur van deze verpakkingen is het verschil in hun thermische geleidbaarheidscoëfficiënten:1,05 W/mK voor vloeibare monsters, die uit glas bestaan, en 0,185-0,196 W/mK voor de afgiftemonsters, die zijn samengesteld uit PMMA. De glazen houder van de vloeistofmonsters vergemakkelijkt de warmteafvoer en heeft daardoor een hoog lichtrendement. Het verbeteren van de warmtedissipatie-eigenschappen van de monsters kan dus de fotonoutput verbeteren.