氮化硼對量子點光轉化LED流明效率的影響*

摘要：量子點光轉化 LED(QCLED)是LED發(fā)展中的一種新型器件，然而，QCLED的流明效率無法滿足實際應用的要求。本文針對QCLED器件流明效率低的技術難題，在量子點光轉化涂層中摻入六方氮化硼納米粒子，利用其強散射效應，提高QCLED的流明效率。通過實驗研究，得出氮化硼粒子的最優(yōu)摻入濃度，當?shù)鹆Ｗ訐饺霛舛葹?.25wt%時，QCLED的流明效率與傳統(tǒng)QCLED相比增加了17.7%，達到了提升QCLED流明效率的目的。

關鍵詞：QCLED；流明效率；氮化硼納米粒子

*基金項目：2019年廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才類項目，項目編號：2019GKQNCX089

發(fā)光二極管（light-emitting diodes，LED）是利用半導體價電子和空穴的帶間躍遷復合、將電能轉化為光能的新型發(fā)光器件。相比于鹵素燈與白熾燈光源，LED 具有節(jié)能、環(huán)保、安全、長壽命、高亮度等優(yōu)點，在固態(tài)照明、背光顯示、交通、電子設備等領域得到了廣泛應用，是二十一世紀最重要的發(fā)明技術之一。

量子點（quantum dot，QD）是 1981 年由俄羅斯物理學家 Alexey I.Ekimov 發(fā)現(xiàn)的，它是一種由幾個原子組成的新型納米材料（三個維度尺寸均在 1-10 納米數(shù)量級），近年來在科研和工業(yè)生產(chǎn)領域引起了極大的關注 ^[1-2]。量子點材料顯現(xiàn)出的量子限域效應、宏觀量子隧道效應、表面效應，使其擁有獨特的光電特性。量子點對一定范圍內短波光子具有強烈吸收能力，促使電子在分子軌道上發(fā)生躍遷并釋放長波光子，從而實現(xiàn)下轉化發(fā)光。量子點 LED 是利用量子點發(fā)光特性與半導體發(fā)光原理相結合的一種新型量子點有機發(fā)光器件。相比于傳統(tǒng)熒光粉材料，具有更高熒光量子產(chǎn)率、窄半峰寬度、熒光壽命長以及波長可調等優(yōu)點的量子點下轉化發(fā)光材料受到了業(yè)界的重視，并顯現(xiàn)出取代傳統(tǒng)熒光粉下轉化材料的潛力。量子點光轉化 LED 器件（quantumdot converted LED，QCLED）是一種需要額外光源的下轉化發(fā)光技術 ^[3]，其發(fā)光模式是：量子點從 GaN 基藍光芯片等外界光源中獲得光能，量子點分子軌道上的電子吸收光能后從價帶躍遷至導帶，導帶底的電子和價帶頂?shù)目昭S即產(chǎn)生帶邊復合發(fā)光。

QCLED 的生產(chǎn)需要大量的量子點，但量子點的制備方法不成熟，尚未實現(xiàn)量產(chǎn)，生產(chǎn)成本較高。更為重要的問題是，QCLED 封裝中量子點的流明效率和穩(wěn)定性不理想 ^[4]，量子點的粒徑小于 10 nm，難以有效分散封裝膠體內部的光，藍光難以被量子點均勻吸收，轉化造成 QCLED 流明效率較低，如圖 1 所示。因此，提高量子點在封裝中的使用效率，即提高 QCLED 的流明效率，是一個值得研究的課題。

有研究者將氮化硼納米粒子摻入到 UVLED（紫外 LED）的硅樹脂封裝中以提高光輸出功率。這種封裝與純硅封裝相比流明效率增加了 8.1%^[5]，因此我們推測摻入氮化硼也可以提高 QCLED 的流明效率，原理如圖 2 所示，氮化硼粒度遠大于量子點，其較強的散射能力有利于量子點對藍光的吸收和轉換，也利于光線的出射。

1 實驗部分

本實驗使用的 CdSe/ZnS 核殼量子點購買于北京北達聚邦科技有限公司，平均直徑為 10 nm，量子點產(chǎn)率（PLQY）大于 80%。高純度氮化硼納米粒子購買自上海巷田納米材料有限公司，為六方氮化硼，直徑約 120 nm，氮化硼粉末在陽光下呈白色，間接證實了氮化硼粒子對可見光的優(yōu)異反射性能。

①制備摻入氮化硼納米粒子 QCLED 步驟如下：

制備濃度為 1.2 wt% 的 量子點膠體。首先，將 237.6 mg 量子點分散在少量正己烷中，充分溶解。然后，稱取 18 g 聚二甲基硅氧烷（PDMS）有機硅，加入量子點溶液中，將混合物放入攪拌機，在室溫下攪拌 80 分鐘以上使正己烷完全揮發(fā)。最后加入 1.8 g 固化劑，獲 得濃度為 1.2 wt% 的量子點膠體。

②稱取氮化硼粒子，摻入到 1.2 wt% 的量子點膠體中，獲得 6 種濃度的氮化硼 - 量子點膠體：0 wt%、 0.05 wt%、0.1 wt %、0.25 wt %、0.5 wt %、1 wt %，將以上膠體放入真空脫泡機，在室溫下真空脫泡。

③將真空脫泡后的氮化硼 - 量子點膠體注入模具型腔中，每種氮化硼粒子濃度制作一片薄膜，通過模具中間的墊圈控制薄膜厚度，墊圈厚度設計為 1 mm。膠體注入完后，將六組模具放入 100 ℃ 烤箱中固化 30 分鐘，待模具冷卻后，用工具把薄膜從模具中取出，得到六片厚度為 1 mm 的氮化硼 - 量子點光轉化涂層。

④對六片氮化硼 - 量子點光轉化涂層進行裁剪，貼裝至藍光 LED 光源上，LED 光源的發(fā)射峰波長為 450 nm，器件頂面用透明硅膠進行封裝，該硅膠與用于制作氮化硼 - 量子點光轉化涂層的 PDMS 一致，以消除折射率的差異。最后把 LED 芯片固定到作為電路板和散熱器的鋁基板上，用兩根銅導線引出正負極，完成遠程型氮化硼 QCLED 的制作。

⑤使用積分球測試系統(tǒng)測試遠程型氮化硼 QCLED 的光通量及流明效率，測試電流為 200 mA，分析實驗結果，得出結論。

2 實驗結果討論

在可見光譜中，眼睛對波長為 555 nm 的黃光最敏感，而對光譜兩側的光則不那么敏感，在同等輻射通量下，人眼對高敏感度光的能量感受更強烈。由于人眼為器件發(fā)光效果的直接受體，因此用光通量來表示以人眼敏感度為基準的輻射能量，它等于單位時間內某一波段的輻射能量和該波段的相對視見率的乘積 ^[6]。摻入不同 濃度納米氮化硼的 QCLED 器件的光通量（流明）以及 流明效率如圖 3 所示，上述測量使用積分球進行測試。 當納米氮化硼的摻入濃度為 0.25 wt% 時， 氮 化 硼 QCLED 器件的光通量和流明效率達到了峰值（光通量 41.08 lm，流明效率 62.61 lm/W），比無納米氮化硼摻 雜的傳統(tǒng) QCLED 器件的數(shù)值（光通量 34.89 lm，流明 效率 53.32 lm/W）高了 17.7%。該結果表明，納米氮化 硼的摻雜帶來了藍光散射能力的提升，使更多的藍光能 夠被量子點吸收。同時，因為內全反射現(xiàn)象的減弱，量 子點轉化的黃光能夠更有效地進行出射，避免了量子點 對黃光的重吸收。二者的共同作用使得器件的黃藍比得 到了有效提升，光線的主要能量更多的分布在了人眼所敏感的黃光區(qū)，因此器 件的光通量和流明效率都得到了提升。當納米氮化硼的 摻雜濃度高于 0.25 wt% 時，氮化硼 QCLED 器件的光 通量、流明效率逐漸下降，這是因為在過高的納米氮化 硼濃度下，封裝膠體內部的后向散射嚴重，器件整體輻 射通量下降過多，在這種情況下，高黃藍比也不能使器 件的光通量提升，與此同時，氮化硼 QCLED 的流明效 率也表現(xiàn)出了相似的規(guī)律。

3 結語

實驗數(shù)據(jù)表明，在不過度影響器件輻射通量的情況下，在量子點光轉化涂層中摻入低濃度的氮化硼納米粒子，能有效提升遠程型 QCLED 的光通量和流明效率。由于量子點的價格十分昂貴，通過摻入氮化硼納米粒子減少 QCLED 中量子點的用量，提高器件的光通量和流明效率，這種方法具有較好的應用前景。

參考文獻：

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[2] TALAPIN D V,STECKEL J.Quantum dot light-emitting devices[J].MRS Bull,2013, 38(9):685-695.

[3] 朱永明.量子點轉化 LED 的光譜與封裝結構優(yōu)化[D].武漢：華中科技大學, 2016.

[4] XIE B,HU R,YU X,et al.Effect of packaging method on performance of light-emitting diodes with quantum dot phosphor[J].IEEE Photon Technol Lett. 2016,28(10):1115- 1118.

[5] YAN C M,ZHAO Q L,Li J S,et al.Improving optical performance of ultraviolet light-emitting diodes by Incorporating boron nitride nano particles[J].Electronics,2019:1107-1114.

[6] ZAK P P,TROFI N N.Spectral dependence of visual functions when comparing characteristics of white light emitting diodes [J].Light & Eng.2014, 22(1): 57-60.

（注：本文轉自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年6月期）