Onderzoek naar het kleurcompensatie-effect van composiet oranje-rode Quantum Dots in WLED-toepassing

TRPL-vervalcurves van R-QD (a ) en O-QD (b op ) gebaseerde dunne films. Levensduur van R-QD (c ) en O-QD (d )-gebaseerde siliconengel dunne films met verschillende concentraties

waar ik (t ) is de PL-intensiteit op tijdstip t , A _ik en τ _ik vertegenwoordigen de relatieve amplitude en de aangeslagen toestand levensduur van elke exponentiële component van PL verval, en n is het aantal vervaltijden. Deze vervalcurven, zoals getoond in Fig. 3a en b, kunnen goed worden aangepast door een dubbele exponentiële functie volgens Vgl. 1.

De aanpasparameters A _ik en τ _ik staan ​​vermeld in Tabel S1 en S2. De amplitude-gewogen levensduur van de R-QD's en O-QD's worden geselecteerd als hun levensduur (τ _ave ) voor verder onderzoek. De levensduur kan worden berekend uit de volgende Vgl. 2 [31] en wordt vermeld in Tabel S1 en S2.

Figuur 3c en d tonen de levensduur van de twee monochrome QD's onder verschillende concentraties. Beide levensduren nemen toe met de stijging van de concentraties en de stijgingssnelheid wordt langzamer na respectievelijk 1 mg/ml voor de R-QD's en 2 mg/ml voor de O-QD's. Het geeft aan dat de toename van de concentratie de afstand tussen QD's verkleint en dus de energieoverdracht en zelfabsorptie in de monochrome QD's verbetert [32, 33]. Ondertussen is de toename van de levensduur in O-QD's duidelijker dan die in R-QD's, wat wijst op meer energieoverdracht in O-QD's. Het lijkt er echter op dat de energieoverdracht geen fluorescerende uitdoving van de QD's bij lage concentratie induceert. Integendeel, het kan een positief effect hebben op de PL-intensiteit en QE's, zoals eerder getoond in Fig. 2.

De optische eigenschappen van composiet-QD's met verschillende gewichtsverhoudingen van R-QD's tot O-QD's werden verder bestudeerd. De PL-spectra van de composiet-QD dunne films worden getoond in figuur 4a. Op basis van de spectra wordt de composiet-QD PL-piekintensiteitsverhouding van 631:605 (nm) geëxtraheerd in figuur 4b. De piekintensiteitsverhouding vertoont een stijgende toename met het R-QD-percentage, wat de energieoverdracht van O-QD's naar R-QD's suggereert. Figuur 4c toont de overlap tussen het R-QD-absorptiespectrum en het O-QD-emissiespectrum. Het suggereert een grote kans op FRET-proces, waarbij de O-QD's fungeren als de donor en R-QD's als de acceptor (getoond in figuur 4d).

PL-spectra van composiet-QD siliconen dunne films met verschillende R-QD's tot O-QD's verhouding (a ) en de samengestelde-QD PL piekintensiteitsverhouding (b ). De overlap van het R-QD-absorptiespectrum en het O-QD-emissiespectrum (c ). Schematisch diagram van energieoverdracht in samengestelde QD's (d )

Verdere studie richt zich op het FRET-proces in samengestelde QD's. Figuur 5a geeft het effect weer van R-QD's (acceptor) op de emissiekinetiek van de O-QD's (donor). De TRPL-intensiteit neemt af met de stijging van de acceptor in het filmmonster (geanalyseerd bij piekdonoremissiegolflengte 605 nm). Figuur 5b geeft het effect weer van O-QD's (donor) op de emissiekinetiek van de R-QD's (acceptor). Integendeel, de TRPL-intensiteit neemt toe met de opkomst van de donor in het filmmonster (geanalyseerd bij piekacceptoremissiegolflengte 631 nm). De vervalcurven in Fig. 5a en b kunnen worden uitgerust met de 2 exponentiëlen, en de gedetailleerde amplitudes, levensduurcomponenten en amplitudegewogen levensduur van de QD's werden vermeld in Tabel S3. De levensduur van het O-QD-monster bleek 30,25 ns te zijn. Wanneer de acceptor-R-QD's worden geïntroduceerd, neemt de levensduur van de donor-O-QD's af (tabel S3) als gevolg van de tussenkomst van het energieoverdragende kanaal. De levensduur van de donor wordt korter naarmate de acceptorconcentratie stijgt. Integendeel, de levensduur van het R-QD-monster bleek 13,08 ns te zijn. Wanneer de donor-O-QD's worden geïntroduceerd, vertonen de acceptor-R-QD's een verlenging van de levensduur als gevolg van energietoevoer (Tabel S3) [34]. De berekende resultaten worden getoond in Fig. 5c, die de verschijnselen duidelijk aantoont.

TRPL-vervalcurves van composiet-QD dunne films met verschillende verhoudingen van R-QD's tot O-QD's bij de emissiegolflengte van de donorpiek (a ) en acceptorpiekemissiegolflengte (b ). De variatie van de levensduur van de donorafname en de levensduur van de acceptortoename (c ). De vergelijking van de relatieve toename tussen de FRET-efficiëntie en R-QD's-verhouding, en de berekende FRET-efficiëntie onder de verschillende verhoudingen van R-QD's tot O-QD's (d )

Het FRET-proces wordt ook onderzocht door de efficiëntie van de energieoverdracht. De efficiëntie van FRET kan worden berekend op basis van de levensduur, zoals geïllustreerd door Vgl. 3.

waar τ _DA is de donorfluorescentielevensduur in aanwezigheid van de acceptor, τ _D is de donorfluorescentielevensduur in afwezigheid van acceptor [26]. Het laat zien dat τ _DA is omgekeerd evenredig met de efficiëntie van de energieoverdracht. Daarom, als de acceptor-donor ratio toeneemt, zal de τ _DA wordt korter en de efficiëntie van de energieoverdracht neemt toe. Een grotere efficiëntie van de energieoverdracht weerspiegelt een grotere impact op de fluorescentie. We analyseren verder de FRET-efficiëntie van composiet-QD's in figuur 5a. De berekende resultaten worden vermeld in Tabel 1 en de efficiëntie bereikt 33,2% met het hoogste aandeel acceptor. Ondertussen vertoont figuur 5d de verandering van FRET-efficiëntie onder verschillende verhoudingen van donor tot acceptor. De FRET-efficiëntie neemt toe met de opkomst van R-QD's (acceptor) in de samengestelde QD's en de toenamesnelheid van de efficiëntie ligt dicht bij die van de R-QD's. Het geeft aan dat de toename van de energieoverdracht gevoelig is voor de toename van de acceptor.

Als het beste continuïteitsspectrum voor LED-verlichting in oranjerood licht, zijn de composiet-QD's met de 1:10 gewichtsverhouding van R-QD's tot O-QD's geselecteerd voor verder onderzoek. Figuur 6a toont de PL-spectra van de composiet-QD siliconen dunne films met verschillende concentraties composiet-QD's bij dezelfde gewichtsverhouding van R-QD's tot O-QD's (R:O =1:10). Naast de toename van de algehele PL-intensiteit, neemt het aandeel van het rode licht (631 nm) ook duidelijk toe met de stijging van de QD-concentratie, zoals weergegeven in figuur 6b. Dit fenomeen kan worden toegeschreven aan de verbeterde FRET met toenemende QD-concentratie. Bovendien wordt de stijgsnelheid van het rode licht langzamer bij een hogere QD-concentratie. Dit kan te wijten zijn aan de verzadiging van de energieoverdracht (ET) tussen QD's. De absolute QE's van de QD-siliconencomposiet dunne films vertonen echter een verandering van minder dan 5% met verschillende concentraties composiet-QD's, zoals weergegeven in figuur 6c. Het lijkt erop dat 1,0–1,5 mg/ml de gunstigste QD-concentratie is voor composiet-QD's bij toepassing, wat zorgt voor hoge QE's met een lage spectrumvariatie.

PL-spectra van als voorbereide composiet-QD siliconen dunne films met verschillende concentraties (a ) en hun PL-piekintensiteitsverhoudingen (b ). QE van de as-bereide composiet-QD siliconen dunne films (c ). Levensduur van donor (oranje stippen) of acceptor (rode stippen) en FRET-efficiëntie (blauwe stippen) onder verschillende concentraties van composiet-QD's (d )

De TRPL-vervalcurven van de verschillende dunne films van composiet-QD-concentratie worden getoond in Fig. S2. Tabel S4 geeft een overzicht van de amplitudes, levensduurcomponenten en amplitudegewogen levensduur voor de samengestelde QD's. Hun FRET-efficiëntie wordt berekend en weergegeven in tabel S5. Verder worden de veranderingen in levensduur en FRET-efficiëntie met concentratie duidelijk getoond in Fig. 6d. In detail vertoont de FRET-efficiëntie een dalende trend van 22 naar 9% met toenemende concentratie. Ondertussen neemt de levensduur die is geregistreerd bij de emissiegolflengte van de donor-O-QD's toe met toenemende concentratie (oranje stippen in figuur 6d). Dit is vergelijkbaar met de concentratieafhankelijke levensduur van de pure O-QD-monsters die worden getoond in Fig. 3. Het suggereert het bestaan ​​van het gecombineerde effect van FRET en zelfabsorptie (zoals de monochrome QD's). Met de toename van de concentratie leidt de verhoogde zelfabsorptie tot de toename van de τ _DA (de levensduur van de donorfluorescentie in aanwezigheid van de acceptor, zoals weergegeven in Fig. 6d, oranje stippen), wat de remming van de FRET tussen composiet-QD's suggereert (blauwe stippen in Fig. 6d). Bij de acceptor R-QD-emissiegolflengte resulteert de verminderde FRET-efficiëntie in een kleinere toename van de levensduur in hoge concentratie (rode stippen in figuur 6d). Als gevolg hiervan vertonen de composiet-QD's een relatief zwakke concentratie-afhankelijke levensduur en kunnen ze een stabiele QE behouden, wat de toepassing van composiet-QD's in LED-toepassingen ten goede komt.

Om het lichtcompensatie-effect van de composiet-QD's in verlichtingstoepassingen te bestuderen, worden WLED's gefabriceerd door groen-emitterende LuAG:Ce-fosfor en O-QD's, R-QD's of composiet-QD's (R:O =1:10) te mengen en verpakking van het mengsel bovenop 450  nm die GaN-chips uitstraalt. Onder een stuurstroom van 40 mA worden de excitatie-luminescentie (EL) spectra van de voorbereide WLED's geïllustreerd in Fig. 7. De gecorreleerde kleurtemperatuur (CCT) en kleurcoördinaten van de WLED's worden getoond in Fig. S3 en Tabel S6. De vier WLED's hebben bijna dezelfde spectra in het blauwgroene lichtgebied, maar verschillend in het oranjerode lichtgebied. Bovendien toont de op LuAG:Ce (alleen) gebaseerde WLED de laagste kleurweergave-index (CRI) van 48,8 vanwege het verlies van het rood-oranje lichtgebied. Integendeel, de op composiet QD gebaseerde WLED vertoont een breder en vlak spectrum in het oranjerode lichtgebied en de hoogste CRI van 92,1. Vergeleken met de composiet-QD's vertonen de op LuAG:Ce (alleen) en R-QD gebaseerde WLED's een duidelijke lichtkloof in het oranje lichtgebied en vertonen ze grote verschillen in CCT en kleurcoördinaten. Hoewel de op O-QD gebaseerde WLED dezelfde CCT- en kleurcoördinaten heeft als de op composiet-QD gebaseerde WLED, mist deze het rode licht en heeft dus een veel lagere CRI dan die van de composiet-QD's. Het geeft het veelbelovende vermogen van composiet-QD's aan om de kleurkwaliteit van WLED te verbeteren.

EL-spectra van WLED's verpakt met alleen groene LuAG:Ce-fosfor (a ), LuAG:Ce+R-QD's (b ), LuAG:Ce+O-QD's (c ), en LuAG:Ce + composiet-QD's (d)

Om de experimentele resultaten verder te evalueren, werd de lichtopbrengst van straling (LER) berekend volgens de volgende formule:

waar 683 lm /W _opt. is een normalisatiefactor. W _opt. , V (λ ), en P (λ ) zijn respectievelijk optisch vermogen, de gevoeligheidsfunctie van het menselijk oog en de spectrale vermogensdichtheid van de lichtbron [35, 36].

De LER-resultaten zijn samengevat in tabel S6 en vergelijkbaar met eerdere rapporten [37,38,39]. Volgens de resultaten is de LER van de composiet-QD-gebaseerde WLED (monster d) hoger dan die van de R-QDs één (monster c) en lager dan die van de O-QDs één (monster b) omdat mensen ogen zijn gevoeliger voor het oranje licht dan voor het rode licht.