高显色性量子点白光LED发光材料及器件研究

As the fourth generation light source, white LED (WLED), the novel solid cold light source, has the advantages of low threshold voltage, high brightness, low energy consumption and quick response. But so far, whether it is made from the blue LED and yellow fluorescent powder, polycrystalline RGB or other process, the average color rendering index (CRI) value of existing white LEDs is low, which is about 60-80. If the CRI value of WLED can be raised to 90 or more, the application fields of WLED will be wider. In this project we proposed to use trichromatic quantum dots (QDs) instead of fluorescent powder as luminescent material of white LED devices for fabricating corresponding QD-WLED, which can be expected to not only enhance the CRI of WLED, making your eyes feel comfortable just like in the sun light or incandescent light, but also extend the lifetime of WLED devices, overcoming the short service lifetime of the fluorescent powder. The low toxic zinc group core-shell QDs are doped with transition metal ions for enlarging the Stokes shift and improving the luminescence efficiency and temperature stability. The luminescent mechanism of the doped QDs is systematically investigated and the corresponding energy level structure model is established. White light with high CRI can be realized via mixing of red, green, and blue luminescent QDs and their size control, which can lay the foundation for technological development of new green high performance solid state lighting devices.

白光LED具有低阈值电压、高亮度及低能耗等优点。但目前为止，白光LED主流产品是用蓝光LED激发黄色荧光粉获得白光输出，因为欠缺红光波段，显色指数偏低，多在60-80之间，如果能将显色指数提高至90或以上，LED的照明应用领域将会更为宽广。本项目提出采用三基色量子点材料代替传统荧光粉作为白光LED器件的光泵荧光材料，利用单一蓝光LED光源激发不同大小的量子点，可以产生各种色光，从红、橙…到蓝，类似彩虹光谱，不仅有望提升白光LED的显色性，还有望延长目前白光LED器件的寿命。我们采用低毒Zn类核壳量子点掺杂的方法来解决斯托克斯位移小的问题，从而提高发光效率和温度稳定性，同时深入研究掺杂和颗粒尺寸对量子点发光机制的影响，建立掺杂量子点能级结构模型，通过三基色量子点的复合及量子点粒径的调控，结合半导体量子点的配色特性，实现高显色性白光输出，为研制新型绿色环保高性能固态照明器件打下技术基础。

目前，荧光粉已经被广泛地应用到LED照明和显示技术中，但是荧光粉的光衰大、颗粒均匀度差、使用寿命短，仍然不是最好的LED发光材料。量子点材料具有独特的量子效应和介电限域效应，因而比荧光粉的发光效率更高、使用寿命更长、吸收更加宽广、颜色的纯度更好，且其具有尺寸和化学组成可控的能量带隙和发光波长。因此，量子点在高显色性白光LED领域具有极大的应用前景。. 本项目围绕绿色环保高显色性白光LED三基色胶体量子点发光材料及器件的应用基础展开了系统的研究。主要研究内容包括高性能量子点材料的设计与制备，发光机制研究，量子点白光LED器件的仿真优化和构筑及其发光与色度学特性研究四个方面，取得了以下的主要成果：.1）发展了一种绿色环保掺杂核壳结构量子点的新型制备技术，获得一系列高性能的三基色量子点和双（多）发射白光量子点，并提出将其代替传统荧光粉作为白光LED器件的光泵荧光材料，研制高显色性量子点白光LED器件，解决了目前白光LED器件显色性偏低的问题。.2）通过对掺杂与粒径的调控，实现了绿色环保量子点能带结构的调控和量子产率的提高（最高可达约80%），研究了不同尺寸、不同粒径分布范围的三基色量子点的色度学特性，揭示了粒径分布范围对其荧光颜色饱和度的影响，为进一步的白光配色提供了理论依据。.3）揭示了颗粒尺寸、掺杂和包覆对量子点斯托克斯位移和发光性能的影响规律，确定了量子点的发光机制，并阐明了过渡金属共掺杂的竞争发光机制，以及量子点电荷转移和能量传递过程与其能带结构之间的相互关系，用以指导高性能三基色量子点材料的合成。.4）实现了基于蓝光芯片激发三基色量子点的白光LED光谱模拟，显色指数（CRI）>85，色质指数（CQS）>85,为未来的先进固态照明提供了实现绿色环保高性能器件的新途径。.5）申请专利6项，发表论文27篇；参加国际会议20余次；培养博士后1名，博士、硕士研究生12名；1名博士、1名硕士荣获国家奖学金；获得海洋王、豪尔赛照明奖、长春光学会议优秀海报奖；主编专著1本。