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量子点

  量子点材料及其封装方式

  

量子点是一种新型的纳米材料,一般为直径在2到20纳米之间的球形或类球形。因尺寸的范围特殊,它拥有不同于宏观材料的优越性能。量子点最重要的光学特性在于可以通过改变尺寸大小使其发射光谱覆盖整个可见光区。除此之外,激发谱宽、发射谱窄、斯托克斯位移较大、荧光寿命长和生物相容性好等诸多优势,使得量子点成为发光领域的研究热点。

 

量子点发光材料的种类繁多,以CdSe为代表的Ⅱ~Ⅵ量子点研究的最早,技术也最为成熟,是目前使用最多的材料。该类材料的半峰宽在30~50nm之间,在精细的合成条件与结构的控制下,其半峰宽可以小于30nm,与此同时,材料的荧光

 

量子产率也逐步提升已经接近100%。然而,限制这类材料发展的最主要因素还是Cd元素的存在,在无Cd量子点材料中,以 InP为代表的Ⅲ~Ⅴ族量子点发展也相对成熟,荧光量子产率略低,一般在70%左右,在发光峰的半峰宽方面,InP量子点要比CdSe量子点宽很多,核壳结构的绿光 InP/ZnS量子点的半峰宽为40~50nm,红光 InP/ZnS量子点为~55nm,性能有待提升。此外,近两年来出现的ABX3型钙钛矿量子点材料引起人们的密切关注。该材料的发光波长在可见光区内能够很容易地进行调节,无须包覆核壳结构,材料的荧光量子产率经过优化之后已经超过90%,半峰宽更是低至~15nm,通过模拟计算,使用该量子点发光材料的显示器件色域值可达140%NTSC,表现出巨大的应用潜力。这些材料可以通过两种形式应用在发光器件中:一是将它们作为GaN基LED中的光转换层,有效吸收蓝光,发射出波长在可见光范围内精确可调的各色光,即替代目前的稀土荧光粉;二是利用量子点材料的电致发光特性,将其涂敷于薄膜电极之间而发光。

 

 

量子点应用在照明领域中,可以在一定波段内获得任意波长的光谱,而且其发射光的波长半宽度在20 nm以下,因而能够呈现出更加饱和的光色。该材料兼具色纯度高、发光颜色可调、发射光谱窄以及荧光量子产率高等特点,能够优化LCD背光中的光谱成分,提高液晶显示器色彩表现力,显著提升显示器件的色域。

对量子点的封装主要分为以下三种:

 

 1)芯片封装型(on-chip)。在这种结构中,量子点发光材料替代传统的荧光粉材料封装在贴片蓝光LED中,这也是量子点应用于照明的主要封装方式。此方式应用于背光显示,还需要根据背光模组的尺寸将得到的贴片白光 LED焊接制成的 LED灯条。这种结构的优势在于量子点发光材料的用量非常小,降低了成本。然而,这种结构对量子点材料的稳定性要求非常高。

 

 2)光学膜集成型(on-surface)。这种结构主要适用于背光。量子点发光材料制成光学膜以远程封装的形式应用到背光模组中,量子点材料制成的光学膜位于背光模组中导光板的正上方。此结构中,量子点光学膜的大面积制备成本高是限制其大规模应用的重要原因之一。

 

 3)侧管封装型(on-edge)。这是对以上两种结构的折中方式,先将量子点材料封装成长条状,然后置于蓝光LED灯条和导光板的侧边,一方面能够降低蓝光LED的热辐射和光辐射对量子点发光材料的影响,另一方面还能够减少实际应用中量子点发光材料的消耗量

 


 

量子点在发光领域表现出巨大优势的同时,也遇到诸多问题需要解决。比如,将材料中的重金属Cd降低或取代的同时提高其热稳定性和光稳定性;开展量子点材料与无机基质材料的复合,改善封装结构,以保障量子点材料本身性能的最大发挥;新型上转换量子点材料的开发和有效利用;实现成本的降低并工业量产等。这些将需要科研界与工业界携手推进,共同努力。

 
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