編輯推薦：本文分析了SBA-15粒子的孔隙結構對其內部吸附量子點(QDs)和外部發光二極體(LED)晶片發光的影響。研究結果可以與傳統的基於磷光體的白光led相媲美，未來這可以成為白光led僅使用量子點作為轉換器件的商業化的起點。
發光二極體（LED）具有高亮度和長壽命等優點，被廣泛用作固態光源。隨著GaN基藍光LED晶片的成功商業化，將藍光LED晶片與下轉換材料整合在一起，顏色轉換技術已成為產生白光的最有前途的方法之一。一般選用釔鋁石榴石(YAG)和氮基熒光粉作為顏色轉化器，因為它們具有熱穩定性和溼度穩定性高的優點。大多數顏色轉換器採用藍色LED晶片封裝，以實現小型化、高性價比的商用白光LED。然而，傳統顏色轉換器的半高寬（fwhm）為應用於寬色域顯示器的白色LED設計製造了困難，尤其是綠色LED，其半高寬通常超過50nm。
華南理工大學李宗濤教授等人，利用QD/SBA-15奈米複合粒子(NPs)的光子重吸收過程，產生了高效的具有寬色域的QD白光led。相關論文以題為“Toward 200 Lumens per Watt of Quantum-Dot White-Light-Emitting Diodes by Reducing Reabsorption Loss”發表在ACS NANO上。
論文連結：
https://doi.org/10.1021/acsnano.0c05735
FDTD模擬結果表明，QD光的LEE在這些情況下與傳統量子點相比，奈米顆粒得到了有效的增強。其機理是孔邊界對入射光有ISIW效應，特別是在大入射角時，從而抑制了量子點光透過孔分散量子點的傳播，減少了自重吸收損失。與QD光相比，折射率和特徵尺寸(孔邊界)更大的NPs由於其更強的ISIW效應，更有利於增加LEE。此外，量子點在各NP中的較低吸附量也有利於降低自重吸損失。奈米顆粒進一步降低了紅光量子點對綠光的相互再吸收損失，為減少光譜重疊造成的能量損失提供了一種有效的解決方案。因此，在色座標為（0.3105，0.3326）的情況下，獲得了寬色域白色LED，其在20 mA時的記錄發光效率為137.6 lm W−1，同時提高了操作穩定性。該工作為未來白光led將量子點作商業化的轉換器的基礎，併為設計與其他智慧器件整合的量子點轉換器提供一般性的指導。
在該實驗中，QD/SBA-15奈米顆粒是透過溼混合方法制備的，具有不同的NP質量比（QD與SBA-15顆粒的質量比）。NP質量比為1:1、1:2、1:5和1:10的QD/SBA-15 NPs照片如圖1a所示。NP質量比越大，表明每個SBA-15顆粒內吸附的QD越多；因此，在白天，隨著NP質量比的增加，觀察到的顏色越黃。具有不同NP質量比的QD/SBA-15 NP的透射電子顯微鏡（TEM）影象顯示在圖1b-d中，分別對應於0、1:1和1:10。
圖1。QD/SBA-15 NPs的形態。(a)在NP質量比為1:1、1:2、1:5、1:10的日光下，QD/SBA-15 NPs的照片。(插圖)紫外線照射下對應的NPs。(b−d) QD/SBA-15 NPs在NP質量比為0、1:1和1:10時的TEM影象。(e) QD/SBA-15 NPs的HAADF STEM影象和相應Si、Se、Cd的元素對映。所有尺比例尺均為100 nm。
研究人員採用簡化的FDTD模型研究了不同結構引數(包括折射率、孔寬、孔間距、吸附QD含量)的SBA-15顆粒對量子點的光萃取機理。FDTD模型中使用的QD/SBA-15 NP的橫向和頂部檢視顯示在圖2a的頂部插圖中。為了方便起見，將相對摺射率(RRI)定義為SBA-15顆粒的折射率與矽膠的折射率之比。圖2a給出了不同RRIs的QD/SBA-15 NPs的LEE。
圖2 QD/SBA-15 NPs的FDTD模擬。(a)不同RRIs的QD/SBA-15 NPs的QD光的LEE。頂部插圖是FDTD模擬中的QD/SBA-15 NP的側檢視和頂檢視。底部插圖是QD/SBA-15 NPs的折射率分佈。(b)不同RRI值的QD/SBA-15 NPs頂面電場。(c−e)不同孔寬、孔間距和QD含量的QD/SBA-15 NPs中QD光的LEE。
製備相同RG質量比(0.5:9.5)、不同QD濃度的可控RG-QD白光led進行比較。當QD濃度足夠小時，由於RG質量比相同，RG-QD白光led的色座標與RG-QD/SBA-15白光led的色座標接近。然而，隨著QD濃度的增加，顏色座標與RG-QD/SBA-15白色led的顏色座標差異越來越大。很明顯，與RG-QD/SBA-15白光led相比，RG-QD白光led具有更大的色座標紅移。為了進一步研究這個問題，RG-QD/SBA-15白光LED和受控器件的發光效率如圖3a所示。
圖3 採用二色RG-QD/SBA-15 NPs的寬色域QD白光led的光學效能。(a)不同QD濃度RGQD/SBA-15白光led的發光效率。注入電流為200ma。（b） 無SBA-15粒子的綠色和紅色量子點的相互重吸收圖（RRI=1）。
總的來說，本文提出了使用QD/SBA-15 NPs作為唯一的顏色轉換器的高效白光led。這些QD/ SBA-15 NPs是基於一種簡單高效的溼混合方法獲得的，無需複雜耗時的化學過程，其中量子點成功吸附在SBA-15顆粒中，並透過形貌分析證實。該研究將對為未來白光led將量子點作商業化的轉換器提供基礎，並對其他量子點轉換器提供指導。（文： 8 Mile）