氮化硼對(duì)量子點(diǎn)光轉(zhuǎn)化LED流明效率的影響*

摘要：量子點(diǎn)光轉(zhuǎn)化 LED(QCLED)是LED發(fā)展中的一種新型器件，然而，QCLED的流明效率無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。本文針對(duì)QCLED器件流明效率低的技術(shù)難題，在量子點(diǎn)光轉(zhuǎn)化涂層中摻入六方氮化硼納米粒子，利用其強(qiáng)散射效應(yīng)，提高QCLED的流明效率。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，得出氮化硼粒子的最優(yōu)摻入濃度，當(dāng)?shù)鹆Ｗ訐饺霛舛葹?.25wt%時(shí)，QCLED的流明效率與傳統(tǒng)QCLED相比增加了17.7%，達(dá)到了提升QCLED流明效率的目的。

關(guān)鍵詞：QCLED；流明效率；氮化硼納米粒子

*基金項(xiàng)目：2019年廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才類項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2019GKQNCX089

發(fā)光二極管（light-emitting diodes，LED）是利用半導(dǎo)體價(jià)電子和空穴的帶間躍遷復(fù)合、將電能轉(zhuǎn)化為光能的新型發(fā)光器件。相比于鹵素?zé)襞c白熾燈光源，LED 具有節(jié)能、環(huán)保、安全、長(zhǎng)壽命、高亮度等優(yōu)點(diǎn)，在固態(tài)照明、背光顯示、交通、電子設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，是二十一世紀(jì)最重要的發(fā)明技術(shù)之一。

量子點(diǎn)（quantum dot，QD）是 1981 年由俄羅斯物理學(xué)家 Alexey I.Ekimov 發(fā)現(xiàn)的，它是一種由幾個(gè)原子組成的新型納米材料（三個(gè)維度尺寸均在 1-10 納米數(shù)量級(jí)），近年來(lái)在科研和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域引起了極大的關(guān)注 ^[1-2]。量子點(diǎn)材料顯現(xiàn)出的量子限域效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、表面效應(yīng)，使其擁有獨(dú)特的光電特性。量子點(diǎn)對(duì)一定范圍內(nèi)短波光子具有強(qiáng)烈吸收能力，促使電子在分子軌道上發(fā)生躍遷并釋放長(zhǎng)波光子，從而實(shí)現(xiàn)下轉(zhuǎn)化發(fā)光。量子點(diǎn) LED 是利用量子點(diǎn)發(fā)光特性與半導(dǎo)體發(fā)光原理相結(jié)合的一種新型量子點(diǎn)有機(jī)發(fā)光器件。相比于傳統(tǒng)熒光粉材料，具有更高熒光量子產(chǎn)率、窄半峰寬度、熒光壽命長(zhǎng)以及波長(zhǎng)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)的量子點(diǎn)下轉(zhuǎn)化發(fā)光材料受到了業(yè)界的重視，并顯現(xiàn)出取代傳統(tǒng)熒光粉下轉(zhuǎn)化材料的潛力。量子點(diǎn)光轉(zhuǎn)化 LED 器件（quantumdot converted LED，QCLED）是一種需要額外光源的下轉(zhuǎn)化發(fā)光技術(shù) ^[3]，其發(fā)光模式是：量子點(diǎn)從 GaN 基藍(lán)光芯片等外界光源中獲得光能，量子點(diǎn)分子軌道上的電子吸收光能后從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶，導(dǎo)帶底的電子和價(jià)帶頂?shù)目昭S即產(chǎn)生帶邊復(fù)合發(fā)光。

QCLED 的生產(chǎn)需要大量的量子點(diǎn)，但量子點(diǎn)的制備方法不成熟，尚未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，生產(chǎn)成本較高。更為重要的問(wèn)題是，QCLED 封裝中量子點(diǎn)的流明效率和穩(wěn)定性不理想 ^[4]，量子點(diǎn)的粒徑小于 10 nm，難以有效分散封裝膠體內(nèi)部的光，藍(lán)光難以被量子點(diǎn)均勻吸收，轉(zhuǎn)化造成 QCLED 流明效率較低，如圖 1 所示。因此，提高量子點(diǎn)在封裝中的使用效率，即提高 QCLED 的流明效率，是一個(gè)值得研究的課題。

有研究者將氮化硼納米粒子摻入到 UVLED（紫外 LED）的硅樹脂封裝中以提高光輸出功率。這種封裝與純硅封裝相比流明效率增加了 8.1%^[5]，因此我們推測(cè)摻入氮化硼也可以提高 QCLED 的流明效率，原理如圖 2 所示，氮化硼粒度遠(yuǎn)大于量子點(diǎn)，其較強(qiáng)的散射能力有利于量子點(diǎn)對(duì)藍(lán)光的吸收和轉(zhuǎn)換，也利于光線的出射。

1 實(shí)驗(yàn)部分

本實(shí)驗(yàn)使用的 CdSe/ZnS 核殼量子點(diǎn)購(gòu)買于北京北達(dá)聚邦科技有限公司，平均直徑為 10 nm，量子點(diǎn)產(chǎn)率（PLQY）大于 80%。高純度氮化硼納米粒子購(gòu)買自上海巷田納米材料有限公司，為六方氮化硼，直徑約 120 nm，氮化硼粉末在陽(yáng)光下呈白色，間接證實(shí)了氮化硼粒子對(duì)可見光的優(yōu)異反射性能。

①制備摻入氮化硼納米粒子 QCLED 步驟如下：

制備濃度為 1.2 wt% 的 量子點(diǎn)膠體。首先，將 237.6 mg 量子點(diǎn)分散在少量正己烷中，充分溶解。然后，稱取 18 g 聚二甲基硅氧烷（PDMS）有機(jī)硅，加入量子點(diǎn)溶液中，將混合物放入攪拌機(jī)，在室溫下攪拌 80 分鐘以上使正己烷完全揮發(fā)。最后加入 1.8 g 固化劑，獲 得濃度為 1.2 wt% 的量子點(diǎn)膠體。

②稱取氮化硼粒子，摻入到 1.2 wt% 的量子點(diǎn)膠體中，獲得 6 種濃度的氮化硼 - 量子點(diǎn)膠體：0 wt%、 0.05 wt%、0.1 wt %、0.25 wt %、0.5 wt %、1 wt %，將以上膠體放入真空脫泡機(jī)，在室溫下真空脫泡。

③將真空脫泡后的氮化硼 - 量子點(diǎn)膠體注入模具型腔中，每種氮化硼粒子濃度制作一片薄膜，通過(guò)模具中間的墊圈控制薄膜厚度，墊圈厚度設(shè)計(jì)為 1 mm。膠體注入完后，將六組模具放入 100 ℃ 烤箱中固化 30 分鐘，待模具冷卻后，用工具把薄膜從模具中取出，得到六片厚度為 1 mm 的氮化硼 - 量子點(diǎn)光轉(zhuǎn)化涂層。

④對(duì)六片氮化硼 - 量子點(diǎn)光轉(zhuǎn)化涂層進(jìn)行裁剪，貼裝至藍(lán)光 LED 光源上，LED 光源的發(fā)射峰波長(zhǎng)為 450 nm，器件頂面用透明硅膠進(jìn)行封裝，該硅膠與用于制作氮化硼 - 量子點(diǎn)光轉(zhuǎn)化涂層的 PDMS 一致，以消除折射率的差異。最后把 LED 芯片固定到作為電路板和散熱器的鋁基板上，用兩根銅導(dǎo)線引出正負(fù)極，完成遠(yuǎn)程型氮化硼 QCLED 的制作。

⑤使用積分球測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試遠(yuǎn)程型氮化硼 QCLED 的光通量及流明效率，測(cè)試電流為 200 mA，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

在可見光譜中，眼睛對(duì)波長(zhǎng)為 555 nm 的黃光最敏感，而對(duì)光譜兩側(cè)的光則不那么敏感，在同等輻射通量下，人眼對(duì)高敏感度光的能量感受更強(qiáng)烈。由于人眼為器件發(fā)光效果的直接受體，因此用光通量來(lái)表示以人眼敏感度為基準(zhǔn)的輻射能量，它等于單位時(shí)間內(nèi)某一波段的輻射能量和該波段的相對(duì)視見率的乘積 ^[6]。摻入不同 濃度納米氮化硼的 QCLED 器件的光通量（流明）以及 流明效率如圖 3 所示，上述測(cè)量使用積分球進(jìn)行測(cè)試。 當(dāng)納米氮化硼的摻入濃度為 0.25 wt% 時(shí)， 氮 化 硼 QCLED 器件的光通量和流明效率達(dá)到了峰值（光通量 41.08 lm，流明效率 62.61 lm/W），比無(wú)納米氮化硼摻 雜的傳統(tǒng) QCLED 器件的數(shù)值（光通量 34.89 lm，流明 效率 53.32 lm/W）高了 17.7%。該結(jié)果表明，納米氮化 硼的摻雜帶來(lái)了藍(lán)光散射能力的提升，使更多的藍(lán)光能 夠被量子點(diǎn)吸收。同時(shí)，因?yàn)閮?nèi)全反射現(xiàn)象的減弱，量 子點(diǎn)轉(zhuǎn)化的黃光能夠更有效地進(jìn)行出射，避免了量子點(diǎn) 對(duì)黃光的重吸收。二者的共同作用使得器件的黃藍(lán)比得 到了有效提升，光線的主要能量更多的分布在了人眼所敏感的黃光區(qū)，因此器 件的光通量和流明效率都得到了提升。當(dāng)納米氮化硼的 摻雜濃度高于 0.25 wt% 時(shí)，氮化硼 QCLED 器件的光 通量、流明效率逐漸下降，這是因?yàn)樵谶^(guò)高的納米氮化 硼濃度下，封裝膠體內(nèi)部的后向散射嚴(yán)重，器件整體輻 射通量下降過(guò)多，在這種情況下，高黃藍(lán)比也不能使器 件的光通量提升，與此同時(shí)，氮化硼 QCLED 的流明效 率也表現(xiàn)出了相似的規(guī)律。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在不過(guò)度影響器件輻射通量的情況下，在量子點(diǎn)光轉(zhuǎn)化涂層中摻入低濃度的氮化硼納米粒子，能有效提升遠(yuǎn)程型 QCLED 的光通量和流明效率。由于量子點(diǎn)的價(jià)格十分昂貴，通過(guò)摻入氮化硼納米粒子減少 QCLED 中量子點(diǎn)的用量，提高器件的光通量和流明效率，這種方法具有較好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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（注：本文轉(zhuǎn)自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年6月期）