基于量子点@有序介孔复合材料的Micro⁃LED色转换特性

陈晓钢; 赵梦云; 蔡俊虎; 李恭明; 查楠; 叶芸; 徐胜; 郭太良; 陈恩果

doi:10.37188/CJL.20230264

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

基于量子点@有序介孔复合材料的Micro⁃LED色转换特性

材料合成及性能 | 更新时间：2024-07-10

- 基于量子点@有序介孔复合材料的Micro⁃LED色转换特性
  增强出版
- Color Conversion Characteristics of Micro-LED Based on Quantum Dot@Ordered Mesoporous Composite Materials
- 发光学报 2024年45卷第1期页码：59-68
- 作者机构：
  
  1.福州大学物理与信息工程学院，平板显示技术国家和地方联合工程实验室，福建福州　350108
  2.中国福建光电信息科学与技术创新实验室（闽都创新实验室），福建福州　350108
- 作者简介：
  
  [ "陈晓钢（1999-），男，浙江台州人，硕士研究生，2022年于浙江工业大学之江学院获得学士学位，主要从事量子点显示的研究。E-mail： Jerryc1130@163. com " ]
  [ "陈恩果（1984-），男，福建福州人，博士，教授，博士生导师，2013年于浙江大学获得博士学位，主要从事微纳显示光学设计的研究。 E-mail： ceg@fzu.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划(2022YFB3603503);国家自然科学基金(62175032);福建省区域发展项目(2023H4004);闽都创新实验室自主部署项目(2020ZZ111)
- DOI：10.37188/CJL.20230264
  中图分类号： O482.31
- 纸质出版日期：2024-01-05，
  
  收稿日期：2023-10-29，
  
  修回日期：2023-11-14，
- 稿件说明：
扫描看全文
陈晓钢,赵梦云,蔡俊虎等.基于量子点@有序介孔复合材料的Micro⁃LED色转换特性[J].发光学报,2024,45(01):59-68.

CHEN Xiaogang,ZHAO Mengyun,CAI Junhu,et al.Color Conversion Characteristics of Micro-LED Based on Quantum Dot@Ordered Mesoporous Composite Materials[J].Chinese Journal of Luminescence,2024,45(01):59-68.
陈晓钢,赵梦云,蔡俊虎等.基于量子点@有序介孔复合材料的Micro⁃LED色转换特性[J].发光学报,2024,45(01):59-68. DOI： 10.37188/CJL.20230264.

CHEN Xiaogang,ZHAO Mengyun,CAI Junhu,et al.Color Conversion Characteristics of Micro-LED Based on Quantum Dot@Ordered Mesoporous Composite Materials[J].Chinese Journal of Luminescence,2024,45(01):59-68. DOI： 10.37188/CJL.20230264.

摘要

量子点（Quantum dots）由于具有优异的光电特性，广泛应用于发光与显示、太阳能电池、光催化等领域，它的发现和合成获得了2023年诺贝尔化学奖。采用量子点色转换的Micro⁃LED全彩化显示技术无需巨量转移，有望实现大规模量产，然而，量子点在高强度Micro⁃LED出光激发下的性能和寿命仍存在局限。基于此，本文研究了基于量子点@有序介孔（QDs@SBA⁃15）复合材料的Micro⁃LED色转换技术及其特性，有序介孔分子筛载体独特的孔道结构不仅能够有效提升Micro⁃LED色转换和光提取效率，且致密的有序介孔材料也一定程度上保障了量子点的稳定性。首先，通过时域有限差分方法（FDTD）建立了Micro⁃LED仿真模型，探究量子点粒径和有序介孔材料的孔径对光提取效率的影响；基于仿真结果指导，进一步采用物理共混法制备了QDs@SBA⁃15复合材料，通过透射光谱、荧光激发光谱、紫外⁃可见光吸收谱等手段对其进行表征并确定浓度配比；最后，将该复合材料与聚二甲基硅氧烷（PDMS）混合固化成膜，并研究了其光致发光性能。实验结果发现，量子点粒径和介孔材料孔径的匹配度以及量子点和有序介孔材料的比例浓度是影响QDs@SBA⁃15复合材料发光效率及Micro⁃LED色转换性能的关键因素；通过优化，所得复合材料可获得优异的发光性能以及良好的环境稳定性，相比于纯量子点色转换层，复合材料的光提取效率提升了81.73%，复合材料的环境稳定性提升了14.33%，以Micro⁃LED作为蓝光光源组成的三基色发光器件工作色域达到了104.52% NTSC。本研究为量子点色转换Micro⁃LED显示技术提供了理论指导，为实现Micro⁃LED全彩化开辟了新路径。

Abstract

Quantum dots（QDs）are widely used in luminescence and display， solar cells， photocatalysis and other fields due to their excellent photovoltaic properties， and its discovery and synthesis won the 2023 Nobel Prize in Chemistry. Micro-LED full-color display technology using quantum dot color conversion does not require mass transfer technology and is expected to achieve large-scale mass production. However， there are still limitations to the performance and lifespan of quantum dots under intense Micro-LED light excitation. Based on， this paper studies the Micro-LED color conversion technology and its characteristics based on quantum dot@ordered mesoporous （QDs@SBA-15） composite materials. The unique pore structure of the ordered mesoporous materials not only can effectively improve the Micro-LED color conversion and light extraction efficiency， but also the dense ordered mesoporous material guarantees the stability of the quantum dots to a certain extent. Firstly， we established a Micro-LED simulation model through the Finite-difference time-domain（FDTD） method to investigate the effects of the particle size of the quantum dots and the pore size of the ordered mesoporous materials on the light extraction efficiency. Based on the guidance of simulation results， QDs@SBA-15 composites were further prepared by physical blending method， characterized by transmission spectroscopy， fluorescence excitation spectroscopy and UV-Vis absorption spectroscopy， and the concentration ratios were determined. Finally， we combined this composite material with polydimethylsiloxane （PDMS） to solidify it into a film and studied its photoluminescence performance. The experimental results showed that the matching degree of the quantum dot particle size and the pore diameter of the mesoporous material， as well as the concentration ratio of quantum dots and ordered mesoporous materials， is crucial to the luminous efficiency of QDs@SBA-15 composite materials and the color conversion performance of Micro-LED. Through the optimization， the resulting composites can obtain excellent luminescence performance and good environmental stability， compared with the pure quantum dots color conversion layer， the light extraction efficiency of the composite material has been improved by 81.73%， and the environmental stability of the composite material has been improved by 14.33%. The color gamut of tri-color devices obtained with Micro-LED as the blue light source reached 104.52% NTSC. This research provides theoretical guidance for quantum dot color conversion Micro-LED display technology， and opens up a new path to realize the full-color Micro-LED.

关键词

量子点有序介孔材料色转换Micro-LED

Keywords

quantum dotsordered mesoporous materialscolor conversionMicro-LED

references

EKIMOV A L， ONUSHCHENKO A A. Quantum size effect in three-dimensional microscopic semiconductor crystals ［J］. J. Exp. Theor. Phys. Lett， 1981， 34： 345.

REN X X， ZHANG X， XIE H X， et al. Perovskite quantum dots for emerging displays： recent progress and perspectives ［J］. Nanomaterials， 12（13）： 2243. doi: 10.3390/nano12132243http://dx.doi.org/10.3390/nano12132243

卢子元，庄永漳，仉旭，等. Micro-LED全彩显示中量子点膜层制备及光转换效率优化［J］. 发光学报， 2022， 43（3）： 421-429. doi: 10.37188/cjl.20210368http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20210368

LU Z Y， ZHUANG Y Z， ZHANG X， et al. Synthesis and conversion efficiency optimization of quantum dots layer for full-color micro-LED display ［J］. Chin. J. Lumin.， 2022， 43（3）： 421-429. （in Chinese）. doi: 10.37188/cjl.20210368http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20210368

蔡俊虎，王晨辉，胡新培，等. CdSe/CdS量子点聚合物复合材料的水致荧光可逆特性［J］. 发光学报， 2022， 43（5）： 714-724. doi: 10.37188/CJL.20210401http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20210401

CAI J H， WANG C H， HU X P， et al. Water-driven photoluminescence reversibility in CdSe/CdS quantum dots polymer composite ［J］. Chin. J. Lumin.， 2022， 43（5）： 714-724. （in Chinese）. doi: 10.37188/CJL.20210401http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20210401

XU S， LIN X Y， ZHANG X， et al. Quantum-dot color conversion towards white-balanced healthy displays： theoretical and simulation study ［J］. J. Soc. Inf. Disp.， 2022， 30（11）： 837-844. doi: 10.1002/jsid.1173http://dx.doi.org/10.1002/jsid.1173

LI Q H， BAI J K， HUANG M L， et al. High-performance， environmentally friendly solid-phase color converted-based quantum dots white light-emitting diodes ［J］. J. Lumin.， 2023， 255： 119560. doi: 10.1016/j.jlumin.2022.119560http://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2022.119560

CHEN E G， LIN J Y， YANG T， et al. Asymmetric quantum-dot pixelation for color-converted white balance ［J］. ACS Photonics， 2021， 8（7）： 2158-2165. doi: 10.1021/acsphotonics.1c00596http://dx.doi.org/10.1021/acsphotonics.1c00596

卫思颖，马建中，范倩倩. 量子点/TiO2复合光催化材料的研究进展［J］. 复合材料学报， 2021， 38（3）： 712-721.

WEI S Y， MA J Z， FAN Q Q. Research advances on quantum dots/TiO2 composite photocatalytic materials ［J］. Acta Mater. Compos. Sinica， 2021， 38（3）： 712-721. （in Chinese）

陈星帆，李斌，李学铭，等. 量子点-聚合物纳米复合材料的光电器件研究进展［J］. 红外与激光工程， 2022， 51（5）： 406-420. doi: 10.3788/IRLA20210637http://dx.doi.org/10.3788/IRLA20210637

CHEN X F， LI B， LI X M， et al. Research advances in optoelectronic devices of quantum dot-polymer nanocomposites ［J］. Infrared Laser Eng.， 2022， 51（5）： 406-420. （in Chinese）. doi: 10.3788/IRLA20210637http://dx.doi.org/10.3788/IRLA20210637

YE Q Y， DAI T， SHEN J， et al. Incorporation of fluorescent carbon quantum dots into metal-organic frameworks with peroxidase-mimicking activity for high-performance ratiometric fluorescent biosensing ［J］. J. Anal. Test.， 2023， 7（1）： 16-24. doi: 10.1007/s41664-022-00246-8http://dx.doi.org/10.1007/s41664-022-00246-8

ZUO Q， CUI R， WANG L， et al. High-loading single cobalt atoms on ultrathin MOF nanosheets for efficient photocatalytic CO2 reduction ［J］. Sci. China Chem.， 2023， 66（2）： 570-577. doi: 10.1007/s11426-022-1498-yhttp://dx.doi.org/10.1007/s11426-022-1498-y

杨莹丽，朱福华，刘岩. CdTe/MCM-41纳米复合材料的组装及发光性质的研究［J］. 河南理工大学学报（自然科学版）， 2009， 28（6）： 792-795. doi: 10.3969/j.issn.1673-9787.2009.06.021http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1673-9787.2009.06.021

YANG Y L， ZHU F H， LIU Y. Preparation and fluorescence of CdTe/MCM-41 nanocomplex ［J］. J. Henan Polytech. Univ. Nat. Sci.， 2009， 28（6）： 792-795. （in Chinese）. doi: 10.3969/j.issn.1673-9787.2009.06.021http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1673-9787.2009.06.021

周成飞. 量子点-聚合物复合材料的制备及应用研究进展［J］. 橡塑技术与装备， 2018， 44（2）： 8-12.

ZHOU C F. Preparation and application progress of quantum dots polymer composites ［J］. China Rubber/Plast. Technol. Equip.， 2018， 44（2）： 8-12. （in Chinese）

PARK J P， KIM T H， KIM S W. Highly stable Cd free quantum dot/polymer composites and their WLED application ［J］. Dyes Pigm.， 2016， 127： 142-147. doi: 10.1016/j.dyepig.2015.12.029http://dx.doi.org/10.1016/j.dyepig.2015.12.029

LI J S， TANG Y， LI Z T， et al. Toward 200 lumens per watt of quantum-dot white-light-emitting diodes by reducing reabsorption loss ［J］. ACS Nano， 2021， 15（1）： 550-562. doi: 10.1021/acsnano.0c05735http://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c05735

CAI J H， CHEN X G， ZHANG W Y， et al. Two-step performance optimization of CsPbBr3 perovskite nanocrystals for wide color gamut displays ［J］. Photonics， 2023， 10（10）： 1113. doi: 10.3390/photonics10101113http://dx.doi.org/10.3390/photonics10101113

JI H L， YE D C， XU H S， et al. Multi-layer co-extruded quantum-dot diffuser plate for ultra-large TV backlights ［J］. Opt. Mater. Express， 2022， 12（4）： 1648. doi: 10.1364/ome.453502http://dx.doi.org/10.1364/ome.453502

CHEN E G， ZHAO M Y， CHEN K K， et al. Metamaterials for light extraction and shaping of micro-scale light-emitting diodes： from the perspective of one-dimensional and two-dimensional photonic crystals ［J］. Opt. Express， 2023， 31（11）： 18210-18226. doi: 10.1364/oe.489598http://dx.doi.org/10.1364/oe.489598

任林娇，孟晓龙，张培，等. 石墨烯量子点/介孔SiO2复合材料的研究进展［J］. 激光杂志， 2020， 41（1）： 7-12.

REN L J， MENG X L， ZHANG P， et al. Recent progress in graphene quantum dots/mesoporous SiO2 composites ［J］. Laser J.， 2020， 41（1）： 7-12. （in Chinese）

严银菓，蔡俊虎，周小健，等. 基于原子层沉积的量子点色彩转换膜封装［J］. 发光学报， 2023， 44（6）： 1059-1068. doi: 10.37188/cjl.20230012http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20230012

YAN Y G， CAI J H， ZHOU X J， et al. Encapsulation of quantum-dot color conversion films based on atomic layer deposition ［J］. Chin. J. Lumin.， 2023， 44（6）： 1059-1068. （in Chinese）. doi: 10.37188/cjl.20230012http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20230012

DENG L W， ZHANG X， YAN Y G， et al. Ambient contrast ratio of quantum-dot color-converted micro-LED displays ［J］. Results Phys.， 2023， 48： 106462. doi: 10.1016/j.rinp.2023.106462http://dx.doi.org/10.1016/j.rinp.2023.106462

陈志忠，康香宁，陈伟华，等. 高亮度Micro-LED外延和芯片制备［J］. 微纳电子与智能制造， 2021， 3（3）： 8-22.

CHEN Z Z， KANG X N， CHEN W H， et al. Epitaxy and chip fabrication of high-brightness Micro-LED ［J］. Micro/Nano Electron. Intell. Manuf.， 2021， 3（3）： 8-22. （in Chinese）

王乐然，李富琳，孙毅轩，等. 基于Micro-LED照明的量子点颜色转换特性［J］. 激光与光电子学进展， 2021， 58（23）： 2325002. doi: 10.3788/LOP202158.2325002http://dx.doi.org/10.3788/LOP202158.2325002

WANG L R， LI F L， SUN Y X， et al. Optical properties of quantum dots color-conversion using micro-LED illumination ［J］. Laser Optoelectron. Prog.， 2021， 58（23）： 2325002. （in Chinese）. doi: 10.3788/LOP202158.2325002http://dx.doi.org/10.3788/LOP202158.2325002

YIN Y M， HU Z P， ALI M U， et al. Full-color micro-LED display with CsPbBr3 perovskite and CdSe quantum dots as color conversion layers ［J］. Adv. Mater. Technol. 2020， 5（8）： 2000251. doi: 10.1002/admt.202000251http://dx.doi.org/10.1002/admt.202000251

MAHLER B， SPINICELLI P， BUIL S， et al. Towards non-blinking colloidal quantum dots ［J］. Nat. Mater.， 2008， 7（8）： 659-664. doi: 10.1038/nmat2222http://dx.doi.org/10.1038/nmat2222

SHIMIZU K T， BÖHMER M， ESTRADA D， et al. Toward commercial realization of quantum dot based white light-emitting diodes for general illumination ［J］. Photonics Res.， 2017， 5（2）： A1-A6. doi: 10.1364/prj.5.0000a1http://dx.doi.org/10.1364/prj.5.0000a1

ZHANG W Y， CHEN Y， CAI J H， et al. Uniformity improvement of a mini-LED backlight by a quantum-dot color conversion film with nonuniform thickness ［J］. Opt. Lett.， 2023， 48（21）： 5643-5646. doi: 10.1364/ol.505552http://dx.doi.org/10.1364/ol.505552

WEI J X， HU Z， ZHOU W J， et al. Color-converted white light-emitting diodes based on I-III-VI quantum dots： Package strategies and stability promotion ［J］. Appl. Mater. Today， 2022， 29： 101585. doi: 10.1016/j.apmt.2022.101585http://dx.doi.org/10.1016/j.apmt.2022.101585

RYU J E， PARK S， PARK Y， et al. Technological breakthroughs in chip fabrication， transfer， and color conversion for high-performance micro-LED displays ［J］. Adv. Mater.， 2023， 35（43）： 2204947. doi: 10.1002/adma.202204947http://dx.doi.org/10.1002/adma.202204947

ZHAO D L， ZHENG Y T， MENG T T， et al. Efficient quantum dot light-emitting diodes with ultra-homogeneous and highly ordered quantum dot monolayer ［J］. Sci. China Mater.， 2022， 65（3）： 757-763. doi: 10.1007/s40843-021-1793-3http://dx.doi.org/10.1007/s40843-021-1793-3

王家先，陶金，吕金光，等. 基于InP/ZnS核壳结构量子点的色转换层设计及制作［J］. 发光学报， 2020， 41（5）： 592-602. doi: 10.3788/fgxb20204105.0592http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20204105.0592

WANG J X， TAO J， LV J G， et al. Design and fabrication of color conversion layer based on InP/ZnS core-shell quantum dots ［J］. Chin. J. Lumin.， 2020， 41（5）： 592-602. （in Chinese）. doi: 10.3788/fgxb20204105.0592http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20204105.0592

NDIAYE A， GHAZOUANI A， SEASSAL C， et al. Enhanced light-extraction efficiency and emission directivity in compact photonic-crystal based AlGaInP thin-films for color conversion applications ［J］. Opt. Express， 2021， 29（22）： 35965-35979. doi: 10.1364/oe.441116http://dx.doi.org/10.1364/oe.441116

许云波，党亚固，严会成，等. 孔径对SBA-15吸附剂分离性能的影响研究［J］. 四川化工， 2021， 24（5）： 9-12. doi: 10.3969/j.issn.1672-4887.2021.05.003http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-4887.2021.05.003

XU Y B， DANG Y G， YAN H C， et al. Study on the influence of adsorbent pore sizes on the ethylene/ethane separation ［J］. Sichuan Chem. Ind.， 2021， 24（5）： 9-12. （in Chinese）. doi: 10.3969/j.issn.1672-4887.2021.05.003http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-4887.2021.05.003

胡新培，蔡俊虎，叶媛媛，等. 高光效GaN基Micro-LED仿真模型研究［J］. 光学学报， 2022， 42（15）： 1525001. doi: 10.3788/AOS202242.1525001http://dx.doi.org/10.3788/AOS202242.1525001

HU X P， CAI J H， YE Y Y， et al. Simulation model of GaN-based micro-LED with high light extraction efficiency ［J］. Acta Opt. Sinica， 2022， 42（15）： 1525001. （in Chinese）. doi: 10.3788/AOS202242.1525001http://dx.doi.org/10.3788/AOS202242.1525001

李家声. 量子点LED器件封装结构与机理研究［D］. 广州：华南理工大学， 2020： 15-34.

LI J S. Study on the Packaging Structures and Mechanisms of Quantum Dot Light⁃emitting Diodes ［D］. Guangzhou： South China University of Technology， 2020： 15-34. （in Chinese）

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

量子点、钙钛矿色转换全彩显示应用研究进展

钙钛矿基宽谱带光电探测器

金属卤化物CH₃NH₃PbBr₃钙钛矿量子点快速检测新烟碱类农药