暖白光LED用红色荧光材料的制备及光学性能研究

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白光发光二极管(WLEDs)因具有高效率、低能耗、长寿命、小体积、环境友好等优点,已经成为日常生活和工作的主要照明方式。目前商用白光LED主要是通过蓝光LED芯片和黄色荧光粉的结合而成,但由于红光成分的缺失所得到的LED呈现出冷色调,其显色指数低、色温高、不利于室内照明。而暖白光LED光线柔和,与白炽灯光色相近,更适用于住宅、酒店等室内场所照明。为了获得高亮度、高光效的暖白光LED,亟需开发低成本、高效率、高稳定性且窄带发射的红色荧光材料。本论文系统研究了稀土掺杂的钼酸盐和有机无机杂化钙钛矿量子点两个体系红色荧光材料的制备工艺与其荧光性能,主要研究内容如下。(1)针对传统高温固相法所制备的尺寸分布不均、荧光粉颗粒易团聚严重影响暖白光LED封装质量的难题,提出了一种高分子辅助水热合成方法,制备了粒度分布均匀、分散性好、形貌均一且具有高色纯度的红光SrMoO4:Pr3+荧光粉,并深入研究了其自组装过程。获得了高单色性紫外或蓝光激发的SrMoO4:Pr3+红色荧光粉,其主发射峰为647 nm。实验结果表明:水热反应过程中所引入的螯合剂乙二胺四乙酸(EDTA)和支链高分子聚醚酰亚胺(PEI)能确保金属离子的均匀分散并有效控制荧光粉颗粒成核、生长和自组装过程,从而实现对荧光粉颗粒形貌和尺寸的控制。(2)与传统荧光粉相比,荧光薄膜表现出更高的均匀性、附着力、热导率和分辨率,但是其薄膜厚度与掺杂离子浓度难以调控。针对该难题,本文利用高分子辅助沉积法在石英基底上沉积了高质量红光发射荧光薄膜。实现了掺杂离子浓度与薄膜厚度的精准调控,并减缓了热处理过程中由于膨胀系数差异导致的薄膜龟裂,最终获得均匀性好、覆盖率高、单色性好的SrMoO4:Pr3+薄膜。通过优化薄膜层数和掺杂离子浓度,所得到的SrMoO4:Pr3+薄膜荧光量子产率高达86%。(3)针对荧光薄膜与基底界面失配问题,通过取向诱导,并利用简单且低成本的高分子辅助沉积方法制备织构化的BaMoO4:Eu3+薄膜,系统研究了取向诱导对薄膜晶体结构、微观形貌和荧光性能的影响规律。实验结果表明,在不同取向基底上生长的薄膜由于失配度差异表现出不同性能,在(001)取向Si基底上沉积的BaMoO4:Eu3+荧光薄膜表现出最优荧光性能和择优取向,其Lotgering因子高达94.6%。(4)针对有机无机杂化钙钛矿MAPbI3的空气稳定性问题,本文提出了一种溶剂工程和配体工程协同作用方法,同时减少钙钛矿本征和外表面缺陷提高其稳定性,通过减少配位溶剂的剂量减少钙钛矿内部碘空位和外部残留溶剂分子。此外,采用结合力更强、空间位阻更小的正丁胺取代常用的长链胺基配体,其在钙钛矿量子点表面形成更加致密且坚固的钝化层,有效阻止水分的侵蚀。结果表明:MAPbI3钙钛矿量子点的空气稳定性提高了几个数量级,量子产率高达80%,并且该方法适用于制备一系列光谱可调的MAPbX3钙钛矿量子点。(5)为了进一步提高钙钛矿量子点的稳定性,本文采用短支链配体异戊胺作为胺基配体,配体的支链部分有效地抑制了相邻钙钛矿量子点的团聚,并且在钙钛矿表面形成致密疏水性保护层,有效减缓其降解速度。基于该策略,钙钛矿量子点的空气稳定性、热稳定性和紫外稳定性同时得到提升。最后,成功制备了基于MAPbBr3量子点的钙钛矿电致发光LED器件,其外量子效率高达6.89%。
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