Forschungsstand von Quantenpunktmaterialien und deren Anwendungen im Bereich Photolumineszenz und Elektrolumineszenz

Nach der Entdeckung vieler neuer physikalischer Phänomene von Halbleiter-Nanokristallen [1-5] wurden viele potenzielle Anwendungen mit Quantenpunkten (QD) entdeckt. Aufgrund des Quanteneinschlusseffekts und des Quantengrößeneffekts haben Halbleiterquantenpunkte die Eigenschaften eines breiten Anregungsspektrums, einer schmalen Halbwertsbreite, einer einstellbaren Wellenlänge und einer Lösungsverarbeitung usw., die umfangreiche Aufmerksamkeit erhalten haben [6-9]. Nach mehr als 30 Jahren Entwicklung haben Quantenpunktmaterialien einen"grünen Syntheseweg" erreicht, und ihre Leistung hat sich allmählich verbessert, was die Produktion und Lieferung von industrialisierten Produkten ermöglicht. Gegenwärtig wurden photolumineszente Vorrichtungen für kommerzielle Anwendungen entwickelt, und diese Reihe von Vorrichtungen wurde in der LED-Beleuchtung verwendet. Und Anzeigefeld [10-12]. Insbesondere im Anzeigebereich haben Quantenpunkte wie cdse extrem schmale Linienbreiten, hohe Farbsättigung und starke Farbwiedergabefähigkeiten für Objekte, die mehr als 120% des ntsc-Farbraums erreichen können [13,14], was die meisten Fernseher verursacht in der Welt Gefragt bei Herstellern und Anbietern von Handy-Displays. Seit SONY 2013 den ersten Quantenpunktfernseher auf den Markt gebracht hat, haben Unternehmen wie TCL, Samsung, LG und Nanojing Technology mehrere Quantenpunktprodukte auf den Markt gebracht, die viele Bereiche wie Fernseher, Mobiltelefone und Computermonitore abdecken [15,16]. Auf der CES 2018 in den USA drängten TCL, Hisense und andere Unternehmen auf die Quantenpunkt-Display-Technologie, die sicherlich die Weiterentwicklung und das Wachstum von Quantenpunkt-Displays fördern wird. Es wird geschätzt, dass Quantenpunktdisplays im Jahr 2025 mehr als 30% des Marktes einnehmen können [17].

Dieser Aufsatz konzentriert sich auf die Anwendung von Quantenpunkten auf Photolumineszenz- und Elektrolumineszenzanwendungen von Beleuchtungs- und Anzeigetechnologien mit hoher Farbqualität. Die Entwicklung von Quantenpunkten hat das Stadium der kommerziellen Anwendung von der ersten Beleuchtung bis zur heutigen Photolumineszenz-Display-Hintergrundbeleuchtung mit hohem Farbumfang erreicht. Im nächsten Schritt ist absehbar, dass die schrittweise Reduzierung der Kosten von Quantenpunkten, die großtechnische Synthese und die Bemühungen von Herstellern wie QD Vision, Samsung und LG bei der Quantenpunkt-Elektrolumineszenz die Quantenpunkt-Elektrolumineszenz weiter vorantreiben werden großflächige Elektrizität von Quantenpunkten. Kommerzialisierung von Elektrolumineszenzgeräten.

2. Kolloidale Quantenpunkte

Kolloidale Quantenpunkte beziehen sich normalerweise auf nanoskalige Kristalle, die in Lösung synthetisiert und verarbeitet werden [18], die gleichmäßig in der Lösung dispergiert werden können. Die Oberfläche der Quantenpunkte ist mit einer Schicht organischer Liganden bedeckt und die Liganden sind durch Koordinationsbindungen verbunden. Zur Oberfläche des Quantenpunktes. Die häufigsten Quantenpunkte sind Halbleiter-Nanopartikel, die aus der II-VII-Gruppe (cdse, cds, Znse, cds, Pbs, Pbse), der III-VI-Gruppe (InP, InAs) oder der I-III-VII-Gruppe (cuIns2, AgIns2) bestehen. Durch die Kombination verschiedener Elemente und Liganden in der Synthese können Quantenpunkte mit unterschiedlichen Morphologien und Eigenschaften erhalten werden [19,20].

Aufgrund des Quantengrößeneffekts und des Quanteneinschlusseffekts kann das Spektrum durch einfaches Anpassen der Größe der präparierten Quantenpunkte alle Wellenlängen von Blau bis Nahinfrarot abdecken [21-23]. Beispielsweise können Cadmiumselenid-Quantenpunkte, wenn die synthetische Partikelgröße von 2 nm auf 8 nm ansteigt, unter ultraviolettem Licht ihre Farbe von Blau nach Rot wechseln [24]. Gegenwärtig haben sich Cadmium-basierte Quantenpunkte als hervorragende Leistung erwiesen [25] und Quantenpunkte aus Cadmium, Zink, Selen, Schwefel und anderen Elementen sind in die Anwendungsphase eingetreten. Gleichzeitig werden auch cadmiumfreie Quantenpunkte wie InP [26] erforscht; Perowskit-Quantenpunkte sind derzeit auch ein beliebtes Forschungssystem, aber die Stabilität von Perowskit-Quantenpunkten ist immer noch ein Problem. Dieser Aufsatz konzentriert sich auf kolloidale Halbleiterquantenpunkte.

2.1. Entwicklung der Quantenpunktsynthese

Die Synthese von Quantenpunkten hat eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Quantenpunkten gespielt. Nur stabile und zuverlässige Quantenpunkte können erhalten werden, um die Grundlage für Forschung und industrielle Anwendungen zu legen. Nach dem Synthesesystem von Quantenpunkten wird es in Wasserphasen- und Ölphasensystem unterteilt, aber die Stabilität der in der Wasserphase synthetisierten Quantenpunkte ist schlecht, die Quantenausbeute ist gering, die Größenverteilung ist breit und es ist leicht zu agglomerieren und auszufällen und wurde nach und nach eliminiert [27]. Im Ölphasensystem, das normalerweise in dem organischen Lösungsmittel mit hohem Siedepunkt bei einer Temperatur von 120-360 °C eingeschlossen ist, reagiert die Vorstufe, um die Kerne von Quantenpunkten zu bilden und stoppt das Wachstum durch anschließendes Abkühlen [25,28,29]. 2001 stellten Peng [29] und andere erfolgreich hochwertige cdse-, cds- und cdte-Quantenpunkte unter Verwendung von Cadmiumoxid her, das eine geringe Toxizität und Reaktivität aufweist. 2002 wurde dann ein nicht-koordinierendes Lösungsmittelsystem [30] vorgeschlagen, das derzeit am häufigsten verwendet wird. Das breite Octadecen-System, diese niedrigschmelzende, hochsiedende Lösung, erzeugte erfolgreich cds-Quantenpunkte in einer Ar-Atmosphäre. Dieses Synthesesystem muss nicht in einer wasserfreien Umgebung umgesetzt werden, und die Reaktion ist mild, die Qualität des Kristallkeims ist leicht zu kontrollieren, die Reproduzierbarkeit des Experiments ist gut, der Herstellungsprozess ist vereinfacht und bekannt als [ GG] quot;grüne Syntheseroute". Es ist jetzt akademisch und industriell Sie alle werden mit dieser Methode synthetisiert.

In den letzten 10 Jahren wurde auch die Mikroreaktionsmethode verbessert. Dieses Verfahren kann verwendet werden, um Nanokristalle im großen Maßstab herzustellen und eine gute Kontrolle über physikalische und chemische Eigenschaften zu haben. Durch die Erhöhung der Regelbarkeit des Reaktors haben die Integration von in Echtzeit auswertbaren Sensoren in jedem Prozessschritt und die Optimierung des Algorithmus zur Leistungssteigerung diese Verbesserung ermöglicht [31,32]. Nanokristalline Kolloide wurden erfolgreich in Mikroreaktoren synthetisiert, wie cdte, cdse, InP[33,34] und sogar cdse/Zns- und Znse/Zns-Kern/Schale-Quantenpunkte [35]. Obwohl die Mikroreaktormethode die Batch-Synthese ersetzen kann, sind zusätzliche Verbesserungen erforderlich, um Nanokristalle mit komplexeren Zusammensetzungen, Formen und kontrollierbaren Fluoreszenzeigenschaften zu synthetisieren.

Abbildung 1 Die Entwicklungsgeschichte von Quantenpunkten

2.2. Design und Optimierung von Quantenpunktstrukturen

Quantenpunkte sind klein und haben eine große spezifische Oberfläche. Abhängig von ihrer Größe befinden sich ~10% -80% aller ihrer Atome auf der Oberfläche und hinterlassen nur teilweise Verteilungsplätze. Diese ungesättigten Oberflächen-Dangling-Bindungen wirken als effektive Ladungsfallen, die die Quantenausbeute stark reduzieren können und leicht mit Sauerstoff reagieren und instabil werden können [36]. Die erste Strategie, diese baumelnden Bindungen zu sättigen, ist die organische Passivierung. Dabei können geeignete organische Liganden als Koordination von Oberflächenatomen eingesetzt werden und auch die Löslichkeit von Quantenpunkten in einem gegebenen Lösungsmittel verbessern. Typische Liganden umfassen Trioctylphosphin (toP), Trioctylphosphinoxid (toPo), Ölsäure (oA) und verschiedene Fettamine (wie Oleylamin, Octylamin usw.) [37,38]. Durch die Verwendung dieser Oberflächenliganden kann die geringe Quantenausbeute an unpassivierten Quantenpunkten (meist<1%) teilweise="" auf="" 1%="" bis="" 50%="" gesteigert="" werden.="">

Eine allgemeinere Lösung zur Überwindung der Instabilität des Kerns besteht darin, eine anorganische Hüllenschicht um den Kern epitaktisch aufwachsen zu lassen. Je nachdem, wie die Kanten des Leitungsbandes (cB) und des Valenzbandes (VB) des Schüttgutes zur Kern-Schale ausgerichtet sind, kann die gezielte Wahl von Kern- und Schalenmaterialien unterschiedliche elektronische Strukturen und damit unterschiedliche Fluoreszenzen aufweisen Eigenschaften. Durch die Herstellung verschiedener anorganischer Kern/Schale-Heterostrukturen kann die räumliche Verteilung von Elektronen und Löchern in Quantenpunkten präzise gesteuert werden, um die erforderliche Modulation optischer, elektronischer und chemischer Eigenschaften zur Anpassung an einen breiten Potentialbereich bereitzustellen. Bawendi [38] und Alivisatos [40] berichteten über detaillierte Studien zum Wachstum von cdse/Zns und cdse/cds, die den Einfluss der Schalenzusammensetzung und -dicke auf die Trägerdelokalisation hervorhoben, und schlugen wichtige Grenzflächen-Kern-Schale-Gitterspannungen vor. Unter allen Synthesemethoden zum Züchten von Kern/Schale-Quantenpunkten ist das von Li[41] et al. war schon immer am gebräuchlichsten. Da das sILAR-Verfahren jedoch in der Regel zeitaufwendig und kompliziert ist, werden Quantenpunkte, die nach der"Eintopfmethode" haben auch hohe Quantenausbeuten. Die mikrowellenunterstützte Synthese von cdse/cds/cdZns-Kern/Mehrschalen-Quantenpunkten [42] weist eine hohe Lumineszenz und ausgezeichnete Stabilität auf. Diese Methode bietet einige Vorteile bei der injektionsbasierten Synthese, wie die Aktivierungsselektivität von Vorstufen, eine hohe Reproduzierbarkeit von Charge zu Charge und eine nahezu kontinuierliche Nanokristallproduktion. Ein weiteres"Eintopfverfahren" wird verwendet, um die CDS/ZNS-Hüllenschicht mit Gradientenwachstum außerhalb des CDSE-Kerns herzustellen. Aufgrund der kontrollierten Kristallgrenzfläche zwischen den beiden Schalenschichten bei einer hohen Temperatur von 310 °C hat es etwa 90 % der Quantenausbeute [43].

Die Kern- und Schalenmaterialien haben jedoch normalerweise unterschiedliche Gitterparameter; daher stellen Strukturdefekte, die dazu neigen, an der Kern-Schale-Grenzfläche aufzutreten, einen strahlungslosen Dämpfungskanal bereit, und diese Struktur wird auch die Quantenausbeute von Quantenpunkten verringern. Daher muss neben der Berücksichtigung der elektronischen Struktur des Materials selbst die Hülle auf die minimale Gitterfehlanpassung zwischen Kern und Hülle angepasst werden, um strukturelle Defekte zu vermeiden [44]. Um dieses Problem zu lösen, besteht ein praktikables Verfahren darin, eine Legierungs- oder Gradientenhüllenschicht als Pufferschicht zu verwenden. Bei dieser Struktur wird eine abgestufte Legierungsschicht verwendet, die sich allmählich von einem Material zum anderen ändert, um durch Gitterfehlanpassung verursachte Spannungen abzubauen. 2005 wurden erstmals CDSE / CDS / Zn0.5cd0.5s / ZNS Multi-Shell-Quantenpunkte mit hoher Helligkeit synthetisiert [45] und dieses Konzept vorgeschlagen. Durch allmähliches Ändern der Legierungsschicht zwischen dem ZNS, das eine größere Gitterfehlanpassung mit dem CDS aufweist, wird eine höhere Quantenausbeute erhalten. Dieses Konzept ist in verschiedenen Quantenpunktmaterialien breit anwendbar. Außerdem kann diese Gradientenlegierung die nichtstrahlende Auger-Rekombination wirksam hemmen. Zusätzlich zur Konstruktion verschiedener Schalen mit unterschiedlichen Gitterparametern für die Elektrolumineszenz kann die Gradientenlegierungsschicht auch die nichtstrahlende Auger-Rekombination reduzieren. Um die Zerfallsrate zu verbessern und dadurch die externe Quanteneffizienz der Elektrolumineszenz zu verbessern [46].

3. Photolumineszenzanwendungen von Quantenpunkten

Mit der kontinuierlichen Optimierung der Synthesemethoden, des strukturellen Designs und der schrittweisen Verbesserung der Quantenpunktleistung wird auch die Erforschung und Kommerzialisierung von Photolumineszenz-Quantenpunktgeräten ständig durchgeführt [47-50]. Die beiden Anwendungen der Photolumineszenz sind hauptsächlich die Beleuchtungsanwendung mit hohem Farbwiedergabeindex unter Verwendung der Vollspektrumabdeckung des sichtbaren Lichts der Quantenpunkte und die Anwendung der Display-Hintergrundbeleuchtung unter Verwendung der schmalen Emissionsbandbreite.

Abbildung 2 Die Vorteile von Quantenpunkten in (a) Display und (b) Beleuchtung

3.1. Festkörperbeleuchtungsgeräte mit hohem Farbwiedergabeindex

Herkömmliche Weißlicht-Festkörperbeleuchtungsgeräte bestehen oft aus GAN-Leuchtdioden und YAG:CE gelben Seltenerd-Phosphoren [51], aber diese Weißlicht-LED zeigt oft eine hohe Farbtemperaturverteilung (CCT> 5000K) und niedriger Farbwiedergabeindex (CRI).<70) fwhm="&Zitat;>60nm) und dieser Verlust kann nicht vermieden werden. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Durchstimmbarkeit von Quantenpunkten im sichtbaren Lichtspektrum besser kontrollierbare Farbkombinationen, und die Halbwertsbreite des Spektrums ist relativ schmal (FWHM=~30nm), wodurch weißes Licht von höherer Qualität mit einem präzise angepassten . erzeugt werden kann Spektrum (cRI> 90) [55]. Im Jahr 2008 haben Nizamoglu et al. [56] untersuchten den Mechanismus, mit dem CDSE/ZNS-Quantenpunkte rotes und grünes Licht emittieren können, und kapselten die Quantenpunkte zum ersten Mal in einen blauen LED-Chip ein, um weißes Licht zu erhalten. Diese Hybridstruktur aus Quantenpunkten ist eine der frühen Methoden, blaue LEDs zu verwenden, um hochwertiges weißes Licht zu erzeugen. Die früheste kommerzielle Anwendung von Quantenpunkten war die Festkörperbeleuchtung; 2010 führten QD Vision in den USA und Chinas Nanojing Technology Quantenpunkt-Kühl-zu-Erwärmungs-Geräte ein und wendeten sie auf LED-Beleuchtungsprodukte an.

Eine Möglichkeit, Quantenpunkte zur Herstellung von Festkörperbeleuchtungsvorrichtungen mit hohem Farbwiedergabeindex zu verwenden, besteht darin, Phosphore und Quantenpunkte zum Mischen zu verwenden und das hervorragende Rotlichtspektrum von Quantenpunkten zu verwenden, um das Spektrum von Phosphoren zu kompensieren, um zu erreichen Weißlichtemission mit hohem Farbwiedergabeindex. chung[57] mischte Rotlicht-cdse/Znse-Kern/Schale-Quantenpunkte in den obigen YAG:ce-Phosphor und verpackte ihn in die LED, was den Farbwiedergabeindex auf 92 erhöhen kann; Siffalovic[58] usw. verwenden cdse/Znse-Quantenpunkte Mit Phosphor vermischt und zu einem dünnen Film verarbeitet, erreichte der Farbwiedergabeindex des verpackten Weißlichtgeräts 92; Xie [59] et al. optimierte die Struktur von Quantenpunkten und Leuchtstoffen und verkapselte die Leuchtstoffschicht auf dem Quantenpunktfilm, um die Lumeneffizienz auf 110lm/W und den Farbwiedergabeindex auf 90 zu verbessern.

Eine andere Methode besteht darin, das abstimmbare Spektrum von Quantenpunkten zu nutzen und Quantenpunkte mit unterschiedlichen Emissionspeaks für die Verpackung zu verwenden. Lee [60] et al. fernverkapselte rote und grüne Licht emittierende InP-Quantenpunkte, deren Weißlichtfarbkoordinaten (0,27, 0,23) erreichen können; Schienbein [61] et al. verwendeten Luftspalte, um Quantenpunkte auf LED-Chips zu verkapseln, die mit Silikonharz beträufelt wurden. Der Farbwiedergabeindex erreichte 81; Lin [62] et al. gemischte Quantenpunkte verschiedener Farben von cdse/Zns auf einem flexiblen Substrat und verwendeten eine ultraviolette Lichtquelle als Anregungslicht, und der höchste Farbwiedergabeindex erreichte 96.

Außerdem kann das Einbringen optisch aktiver dotierter Ionen in die Quantenpunkte Verunreinigungsemissionspeaks in das Emissionsspektrum der Quantenpunkte einführen, die mit anderem emittiertem Licht kombiniert werden können, um weißes Licht zu bilden. Dies ist das Prinzip der Verwendung von dotierten Ionen, um Licht zu emittieren, um Weißlicht-LEDs herzustellen. . Im Vergleich zu nicht dotierten Quantenpunkten ist der Verunreinigungspeak relativ zum Bandkanten-Emissionspeak des Wirts rotverschoben, was die Stokes-Verschiebung erhöht, wodurch der Einfluss der Quantenpunkt-Selbstabsorption verringert wird; gleichzeitig im Vergleich zu dotierten Lumineszenzmaterialien Weil nicht dotierte Materialien eine höhere photochemische und thermische Stabilität aufweisen [63]. Literaturberichten zufolge können durch dotierte Ionenemission hergestellte weiße LEDs grob in drei Kategorien eingeteilt werden: Mn2+-Dotierung, cu2+-Dotierung und Mn2+- und cu2+-Co-Dotierung. Xu[64] et al. synthetisierte cds/Zns-Quantenpunkte, dotiert mit Mn2+-Ionen durch den" flash"="" -methode="" und="" verpackte="" weiße="" leds="" mit="" yag:ce-phosphoren,="" und="" sein="" farbwiedergabeindex="" erreichte="" 80;="" wang[65]="" et="" al.="" synthetisierte="" mit="" cu2+-ionen="" dotierte="" cds/zns-quantenpunkte,="" die="" die="" fluoreszenz="" im="" roten="" band="" verbesserten,="" mit="" einem="" farbwiedergabeindex="" von="" {{16}};="" wang="" [66]="" et="" al.="" dotiertes="" mn2+="" im="" znse-kern="" und="" cu2+="" im="" zns-mantel.="" ,="" damit="" es="" eine="" doppelpeak-emission="" zeigt,="" erreicht="" das="" verpackte="" weißlichtgerät="" 95="" und="" die="" lumeneffizienz="" beträgt="" 73,2="" lm="" w,="" was="" eine="" höhere="" aussicht="">