高稳定CdSe/ZnS量子点/高分子复合材料的自催化共聚合成和机理研究

Quantum dot-polymer nanocomposite synthesized via in-situ polymerization approach which combines advantages of mono-disperse of quantum dot in polymer matrices, ultimate luminescence property of quantum dot and easy manufacturing of polymers, have significant benefits in many optoelectronic device fabrications such as high performance display backlighting. Nevertheless, with impurities such as catalyst in the matrices, as-prepared QDs nanocomposites have been suffering from low thermal chemical stability. Recently we discovered CdSe/ZnS QDs-MMA mixture enabled fast polymerization at the absence of catalyst and successfully applied our discovery into development of ultra-stable QDs-PMMA nanocomposite. In this project, we will further our study in this direction to fully understand reaction mechanism for quantum dot induced polymerization; disclose catalyst active center and other key factors for reaction kinetics. In order to accelerate our research, we aim to develop quantum dots purification methodology and update real time spectrometer characterization means as well as study miscibility of the polymerization approach with modern manufacturing such as micro/nano-process and wafer level packaging. Study on the reaction mechanism will help to extend our fundamental knowledge on quantum dots chemistry and physics, pave the way of quantum dot nanocomposite to the application in modern manufacturing and high performance opto-electronics devices.

利用原位聚合法合成的量子点/高分子纳米复合材料，结合了量子点优异的荧光性能、优良的分散性和高分子易于加工的优点，在高性能照明和显示等领域具有重大应用价值。然而，合成过程中催化剂等杂质的残留会降低量子点复合物的光热稳定性，严重限制了其应用范围。最近申请人开发了一种无催化剂的量子点/高分子原位自催化共聚方法，在此基础上合成出了具有高光热稳定性的CdSe/ZnS量子点-PMMA复合物。本项目拟在前期研究基础上，通过结合CdSe/ZnS量子点表面纯化的方法和实时光谱分析的手段，深入研究量子点诱导高分子自催化共聚的机理，确定催化活性位点，优化反应条件，进一步提高量子点复合物的光热稳定性，并拓展反应机理在多种量子点/高分子复合物材料体系中的应用。本项目扩展了量子点诱导催化特性的研究和应用领域，有望大幅度提高量子点/高分子复合物的光热稳定性，推动量子点在高性能照明和显示等光电应用领域的发展。

利用原位聚合法合成的量子点/高分子纳米复合材料结合了量子点优异的荧光性能、优良的分散性和高分子易于加工的优点，在高性能LED照明和显示等领域具有重大应用价值。然而，复合材料合成和应用过程中的杂质残留、催化剂以及量子点表面的硫和卤素等严重影响量子点在LED器件中的光热稳定性，限制了其应用范围。本项目针对上述问题开展三方面研究：1）通过有机膦分子中介的表面氧化还原反应，实现了金属有机配体修饰的表面高度纯化的量子点，应用体系扩展到硫族和钙钛矿量子点，如CdSe/ZnS、PbS、CsPbBr3。同时设计制备了一系列新型金属有机配体和表面修饰方法，有效提升了量子点在有机硅、PMMA、PS等高分子介质中的分散性。设计了水相合成钙钛矿量子点以及双离子层两性配体表面修饰的方法，打破了钙钛矿水中不稳定、生长不易控的传统思维，实现了钙钛矿量子点尺寸可控合成和水稳定性显著提升。2）研究阐明了量子点与表面吸附的高分子前体间的载流子传递诱发高分子前体聚合的机制。在此基础上，将高分子体系扩展到含C=C双键的高分子单体，并通过有机金属配体设计，利用ZnMA等配体参与高分子共聚，形成表面高分子包裹层，从而提升量子点稳定性和分散性。3）通过深入研究量子点在LED中的热积聚和自吸收效应，引入热导和光散射结构，设计制备出高导热量子点无机自组装复合材料，有效提升了量子点LED在高温、高功率条件下的稳定性。综合上述方法获得高稳定性量子点转换LED器件（如基于CdSe/ZnS量子点的LED老化测试250小时，光衰减~1.2%）。上述研究为硫族和钙钛矿量子点表面修饰和钝化提供了若干普适性设计思路，为制备高效率、高稳定性量子点/高分子纳米复合材料提供了理论支持和设计框架。研究具备理论和实际应用意义，能够有力推动量子点复合材料在高性能LED照明和显示等光电应用领域的发展。