白光LED用纳米氧化锌基荧光材料的制备和发光性能研究

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作为第四代照明光源的发光二极管(LED)由于具有工作寿命久、体积小、高效节能等诸多优异特性,已被广泛应用于社会中的方方面面,而与人们生活联系最为紧密的则是作为日常照明光源的白光LED。目前,实现LED白光发射的主要方式为:把发射黄色荧光的荧光粉封装在蓝光LED芯片上,或是将具有红、绿、蓝三基色荧光的荧光粉封装在紫外(UV)芯片上。不管芯片是何种类型,作为下转换层的荧光粉亦是影响LED性能的关键因素。现如今,LED荧光粉市场中最为主流的是稀土离子掺杂的荧光粉,基于半导体量子点的荧光粉如碲化镉(Cd Te)、硒化镉(Cd Se)等也逐渐发展兴起。但是,稀土资源有限且不可再生,开采和回收时过程不易,成本较高,难以长久使用;而半导体量子点普遍使用的重金属对生态环境和人体健康存在一定的安全隐患。基于传统荧光粉所存在的以上问题,研究开发高效安全、绿色环保的新型荧光粉是十分重要和必要的。近年来,氧化锌量子点由于其具有环保无毒、发光性能优异且制备简单、成本低廉等诸多优点,引起人们越来越多的关注,在生物成像、荧光探针、紫外光电探测器、信息加密、发光器件等多个领域都展现出巨大的应用潜力。但是,目前已报道的氧化锌基LED的流明效率还有待提升,且氧化锌量子点多为单色发射,实现单一基质的白光LED存在困难。为此,本文首先利用溶胶-凝胶法制备出了功能化修饰的氧化锌量子点,之后将其与商业蓝粉Ba Mg Al10O17:Eu2+(BAM)进行硅包覆制备出了多发射型核壳结构的ZnO-BAM@SiO2纳米复合物,并利用它成功实现优异性能的白光LED的制备;之后,为实现氧化锌基同一基质LED的白光发射,进一步减少商业荧光粉的使用,通过将乙酸锌和氢氧化锂以不同摩尔比进行乙醇湿磨,成功制备出五种发射波长的氧化锌纳米颗粒,后将其应用在LED制作,进而成功实现了同一基质白光LED的制备。具体工作如下:1)利用溶胶-凝胶法成功制备出功能化修饰的氧化锌量子点,吸收光谱结果显示其在紫外区域有较强的吸收,荧光光谱测试结果表明其最佳激发波长为365nm,相应的发射峰位于550 nm,紫外激发下可发出明亮的黄色荧光。将其作为发光中心之一,为后续开发性能优异的纳米复合物荧光材料奠定基础。为进一步获得性能优异的纳米复合物作为LED下转换层,利用硅包覆的形式将氧化锌量子点与商用蓝色荧光粉Ba Mg Al10O17:Eu2+(BAM)进行结合并利用溶胶-凝胶法成功制备出多发射型核壳纳米复合物(ZnO-BAM@SiO2)。其中,氧化锌量子点和BAM荧光粉均为该复合物的发光核,通过对其二者的质量比进行一定的调节,成功实现ZnO-BAM@SiO2纳米复合物的白光发射。经测试,可知所制备的ZnO-BAM@SiO2纳米复合材料的量子效率达63.7%,且具备良好的结构、光、热及时间稳定性。基于以上这些优点,将其与环氧树脂进行混合,成功制备紫外芯片白光LED,相关发光效率,色温(CCT),色坐标(CIE)以及显色指数(CRI)分别为73.6 lm/W,5580 K,(0.32,0.34),87。上述结果表明通过将氧化锌量子点与商业荧光材料BAM共包覆进而制备的高效稳定的ZnO-BAM@SiO2纳米复合物极大地提升了氧化锌基LED的流明效率且可有望减少部分商业荧光粉的使用,在LED荧光粉方面有一定的应用潜力。2)在制备氧化锌基LED的过程中为了进一步减少或不再使用传统商业荧光粉,将进一步研究氧化锌纳米材料的合成和发光调控,以获得氧化锌基单一基质的白光LED。将乙酸锌(二水)(Zn(OAc)2·2H2O)与氢氧化锂(LiOH)作为反应前驱物,利用乙醇湿磨法并通过调节锌源与碱源的摩尔比来进一步调控其表面氧空位,从而成功制备出了紫外激发的多色发光的氧化锌纳米颗粒,样品的发光颜色可从蓝色调节至橙黄色。稳定性测试结果显示,所制备的氧化锌纳米颗粒具有较好的抗光漂白能力及优异的时间稳定性。基于以上优点,将其中的发射蓝色和黄色荧光的氧化锌纳米颗粒与PDMS进行混合,在270 nm的紫外芯片上涂覆混合物,成功制备了单一基质的氧化锌基白光发射LED,对应的色温(CCT),色坐标(CIE)及显色指数(CRI)分别为6532 K,(0.31,0.33),90.4。上述结果表明所制备的多色氧化锌纳米颗粒有望作为荧光粉应用于白光LED,减少传统稀土基和镉基半导体量子点荧光粉的使用,实现绿色健康照明。
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