高效率荧光碳点的合成及其在白光LED方面的应用研究

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碳点,作为一种新型的零维碳基材料,在短短十几年的研究中,已经在新型荧光材料中成为了一颗耀眼的明星。合成方面,碳点具有原料丰富,制备方法简单多样,成本低等特点;性能发面,碳点具有优异的发光性能,易于进行修饰改性,且自身毒性低,生物相容性好,对环境无毒无害。这些突出的优势使得碳点在生物成像,肿瘤治疗,分析检测,光催化和照明等领域均得到一定的应用研究。而近些年碳点发光性能的不断提升,使得基于碳点制备白光LED方面,构筑绿色照明系统发面得到了人们尤为广泛的关注。目前,碳点基的白光LED主要存在以下问题:第一,碳点的荧光量子产率仍然普遍偏低,这对于制备高效率的碳点基白光LED产生了阻碍;第二,碳点的荧光猝灭问题使得碳点在固态下很难获得较高的量子产率,从而制约了碳点实际应用;第三,作为产生白光不可或缺的一部分,发射波长相对较长的黄光和红光碳点仍然难以制备,且量子产率偏低。针对这些突出问题,本文将从高效率碳点的合成,实现碳点高效率固态荧光,制备高品质碳点基白光LED等三个方面展开深入研究,具体工作如下:1.高效率碳点的合成。以甲基红和邻苯二胺为前驱体,通过溶剂热法制备了量子产率高达95%的黄光碳点,是目前所报道的最高效率的黄光碳点。该碳点的发光主要来源于激子的直接复合,由于碳点内部电声耦合作用弱,载流子的非辐射复合得到抑制,因此该黄光碳点表现出超高的荧光量子产率。通过实验和理论计算两种方式,阐明了碳点中吡咯氮掺杂与碳点的斯托克斯位移的关系。2.实现碳点的高效率固态荧光。首先,通过将该黄光碳点与聚苯乙烯复合,成功抑制了其荧光猝灭,所制备的复合薄膜荧光效率可达84%。进一步地,以柠檬酸,尿素和氢氧化钠为原料,通过一步微波法制备出了荧光效率高达75.9%的绿光碳点粉末。该碳点能够原位地嵌套于氢氧化钠的晶格结构中,从而有效抑制聚集诱导的荧光猝灭,获得了固态下的荧光。3.制备碳点基的高品质白光LED。首先,通过将黄光碳点复合薄膜与蓝光LED结合,制备出了白光LED,其色坐标位于(0.32,0.34),流明效率高达140lm/W,是目前碳点基的白光LED达到的最高值。然后,基于该黄光碳点薄膜,制备了有效发光面积可达100 cm-2的白光面光源,进一步拓宽了碳点在照明领域内的应用。最后,通过绿光碳点与红光稀土荧光粉结合,制备了显色指数高达93.5的白光LED,此外,该白光LED具有出色的光谱稳定性。相信我们本文的工作能够推动碳点在白光LED的应用研究,并对基于碳点构筑高效率绿色照明系统产生一定指导意义。
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