وضعیت تحقیق مواد کوانتومی نقطه و کاربردهای آنها در زمینه نورپردازی و الکترولومینسانس

به دنبال کشف بسیاری از پدیده های فیزیکی جدید نانوکریستال های نیمه رسانا [1-5] ، بسیاری از کاربردهای بالقوه با استفاده از نقاط کوانتومی (QD) کشف شده است. با توجه به اثر محدودیت کوانتومی و اثر اندازه کوانتومی ، نقاط کوانتومی نیمه هادی دارای ویژگی های طیف وسیع تحریک ، نیم عرض باریک ، طول موج قابل تنظیم و پردازش محلول و غیره هستند که مورد توجه زیادی قرار گرفته اند [6-9]. پس از بیش از 30 سال توسعه ، مواد نقطه کوانتومی به&مسیر سنتز سبز" دست یافته اند و عملکرد آنها به تدریج بهبود یافته و تولید و عرضه محصولات صنعتی را امکان پذیر کرده است. در حال حاضر ، دستگاههای نوری برای کاربردهای تجاری توسعه یافته اند و این سری از دستگاهها در روشنایی LED استفاده شده است. و قسمت نمایش [10-12]. به ویژه در زمینه نمایش ، نقاط کوانتومی مانند cdse دارای عرض خط بسیار باریک ، اشباع رنگ بالا و قابلیت تولید رنگ قوی برای اشیا هستند که می توانند به بیش از 120 of از گستره رنگ ntsc برسند [13،14] ، که باعث بیشتر تلویزیون ها می شود در جهان توسط تولیدکنندگان و تامین کنندگان صفحه نمایش تلفن همراه درخواست می شود. از زمانی که SONY اولین تلویزیون نقطه کوانتومی را در سال 2013 منتشر کرد ، شرکت هایی مانند TCL ، سامسونگ ، ال جی و فناوری Nanojing چندین محصول کوانتوم دات را منتشر کرده اند که بسیاری از زمینه ها مانند تلویزیون ، تلفن همراه و مانیتور کامپیوتر را پوشش می دهد [15،16]. در نمایشگاه CES 2018 در ایالات متحده ، TCL ، Hisense و دیگر شرکت ها به دنبال فناوری نمایش نقطه کوانتومی بودند ، که مطمئناً توسعه و رشد بیشتر صفحه نمایش نقطه کوانتومی را ارتقا می بخشد. تخمین زده می شود که در سال 2025 ، نمایشگرهای نقطه کوانتومی می توانند بیش از 30 درصد بازار را اشغال کنند [17].

این بررسی بر کاربرد نقاط کوانتومی در کاربردهای نورپردازی و الکترولومینس در نورپردازی با کیفیت بالا و فن آوری های صفحه نمایش تمرکز دارد. توسعه نقاط کوانتومی از مرحله روشنایی اولیه تا امروز به عنوان نور پس زمینه صفحه نمایش وسیع رنگی' وارد فاز کاربرد تجاری شده است. در مرحله بعد ، می توان تصور کرد که کاهش تدریجی هزینه نقاط کوانتومی ، سنتز در مقیاس بزرگ و تلاش های تولیدکنندگان مانند QD Vision ، سامسونگ و ال جی در الکترولومنسانس نقطه کوانتومی ، باعث افزایش بیشتر برق وسیع نقاط کوانتومی تجاری سازی دستگاه های الکترولومینسنت.

2. نقاط کوانتومی کلوئیدی

نقاط کوانتومی کلوئیدی معمولاً به بلورهایی با اندازه نانو سنتز و فرآوری شده در محلول اشاره می کنند [18] ، که می توانند به طور یکنواخت در محلول پراکنده شوند. سطح نقاط کوانتومی با لایه ای از لیگاندهای آلی پوشانده شده است و لیگاندها توسط پیوندهای هماهنگی به یکدیگر متصل شده اند. به سطح نقطه کوانتومی. رایج ترین نقاط کوانتومی نانوذرات نیمه هادی هستند که از گروه II-VII (cdse ، cds ، Znse ، cds ، Pbs، Pbse) ، گروه III-VI (InP ، InAs) یا گروه I-III-VII (cuIns2 ، AgIns2) تشکیل شده اند. با ترکیب عناصر و لیگاندهای مختلف در سنتز ، نقاط کوانتومی با ریخت شناسی و خواص مختلف به دست می آید [19،20].

با توجه به اثر اندازه کوانتومی و اثر حبس کوانتومی ، با تنظیم اندازه نقاط کوانتومی تهیه شده ، طیف می تواند تمام طول موج ها را از آبی تا مادون قرمز نزدیک پوشش دهد [21-23]. به عنوان مثال ، نقاط کوانتومی سلنید کادمیوم ، هنگامی که اندازه ذرات مصنوعی از 2 نانومتر به 8 نانومتر افزایش می یابد ، در زیر نور ماوراء بنفش ، رنگ آن می تواند از آبی به قرمز تبدیل شود [24]. در حال حاضر ، نقاط کوانتومی مبتنی بر کادمیوم عملکرد فوق العاده ای دارند [25] و نقاط کوانتومی متشکل از کادمیم ، روی ، سلنیوم ، گوگرد و سایر عناصر وارد مرحله کاربرد شده اند. در عین حال ، نقاط کوانتومی عاری از کادمیوم مانند InP [26] نیز در حال تحقیق هستند. نقاط کوانتومی پروسکایت نیز در حال حاضر یک سیستم تحقیقاتی محبوب هستند ، اما پایداری نقاط کوانتومی پروسکایت هنوز مشکل ساز است. این بررسی بر نقاط کوانتومی نیمه هادی کلوئیدی تمرکز دارد.

2.1 توسعه سنتز نقطه کوانتومی

سنتز نقاط کوانتومی نقش تعیین کننده ای در توسعه نقاط کوانتومی داشته است. فقط می توان نقاط کوانتومی پایدار و قابل اطمینان را برای پایه گذاری برای تحقیقات و کاربردهای صنعتی بدست آورد. بر اساس سیستم سنتز نقاط کوانتومی ، آن را به فاز آب و سیستم فاز روغنی تقسیم می کنند ، اما ثبات نقاط کوانتومی سنتز شده در فاز آب ضعیف است ، عملکرد کوانتومی کم است ، توزیع اندازه وسیع است و به راحتی قابل تجمع و رسوب است و به تدریج حذف شده است [27]. در سیستم فاز روغنی ، معمولاً شامل حلال نقطه جوش بالای آلی در دمای 120-360 درجه سانتی گراد ، پیش ساز واکنش نشان می دهد و هسته نقاط کوانتومی را تشکیل می دهد و با خنک شدن بعدی رشد را متوقف می کند [25،28،29]. در سال 2001 ، پنگ [29] و دیگران با موفقیت نقاط کوانتومی cdse ، cds و cdte را با استفاده از اکسید کادمیوم ، که سمیت و واکنش پذیری پایینی دارند ، با موفقیت آماده کردند. سپس در سال 2002 ، یک سیستم حلال غیر هماهنگ [30] پیشنهاد شد ، که در حال حاضر بیشترین سیستم مورد استفاده است. سیستم گسترده اکتادسن ، این محلول کم ذوب و با جوش زیاد ، نقاط کوانتومی cds را با موفقیت در جو Ar آماده کرد. این سیستم سنتز نیازی به واکنش در محیط بدون آب ندارد و واکنش ملایم است ، کیفیت هسته بلوری به راحتی قابل کنترل است ، قابلیت تکرار آزمایش خوب است ، فرآیند آماده سازی ساده شده و به عنوان [ GG] quot؛ مسیر سنتز سبز" ؛. در حال حاضر از نظر علمی و صنعتی همه آنها با استفاده از این روش سنتز می شوند.

در 10 سال گذشته ، روش واکنش کوچک نیز بهبود یافته است. از این روش می توان برای تولید نانوبلورها در مقیاس بزرگ و کنترل خوب بر خواص فیزیکی و شیمیایی استفاده کرد. با توجه به افزایش کنترل پذیری راکتور ، ادغام حسگرهایی که می توانند در هر مرحله از فرآیند به صورت لحظه ای مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرند و بهینه سازی الگوریتم برای افزایش خروجی ، این بهبود را ممکن ساخته است [31،32]. کلوئیدهای نانوکریستالی با موفقیت در میکرورآکتورهایی مانند cdte ، cdse ، InP [33،34] و حتی cdse/Zns و Znse/Zns هسته/نقاط کوانتومی پوسته [35] سنتز شده اند. اگرچه روش میکرورآکتور می تواند جایگزین سنتز دسته ای شود ، اما برای بهبود نانوکریستالها با ترکیبات پیچیده تر ، اشکال و خواص فلورسانس قابل کنترل ، پیشرفت های بیشتری لازم است.

شکل 1 تاریخچه توسعه نقاط کوانتومی

2.2 طراحی و بهینه سازی ساختار نقطه کوانتومی

نقاط کوانتومی از نظر اندازه کوچک هستند و دارای سطح خاصی هستند. بسته به اندازه آنها ، ~ 10 --80 of از تمام اتمهای آنها در سطح قرار دارد و فقط محلهای توزیع جزئی باقی می ماند. این پیوندهای آویزان سطحی غیر اشباع به عنوان تله های بار م effectiveثر عمل می کنند ، که می تواند عملکرد کوانتومی را تا حد زیادی کاهش دهد ، و می تواند به راحتی با اکسیژن واکنش داده و ناپایدار شود [36]. اولین استراتژی برای اشباع این پیوندهای آویزان از طریق غیرفعال سازی آلی است. در این فرایند ، از لیگاندهای آلی مناسب می توان به عنوان هماهنگی اتم های سطح استفاده کرد و همچنین می تواند حلالیت نقاط کوانتومی را در یک حلال معین بهبود بخشد. لیگاندهای معمولی شامل تریوکتیل فسفین (toP) ، تریوکتیل فسفین اکسید (toPo) ، اسید اولئیک (oA) و آمین های چرب مختلف (مانند اولئیلامین ، اکتیلامین و غیره) هستند [37،38]. با استفاده از این لیگاندهای سطحی ، بازده کوانتومی پایین نقاط کوانتومی بدون علامت (معمولاً< ؛ 1٪) را می توان تا حدی بین 1 تا 50 درصد افزایش داد. [39]

یک راه حل کلی تر برای غلبه بر بی ثباتی هسته ، رشد لایه پوسته معدنی در اطراف هسته است. بسته به این که لبه های باند رسانایی (cB) و نوار ظرفیت (VB) مواد فله با توجه به پوسته هسته تراز شده اند ، انتخاب خاص مواد هسته و پوسته می تواند ساختارهای الکترونیکی مختلف را تعیین کرده و در نتیجه فلورسانس متفاوتی داشته باشد. مشخصات. از طریق آماده سازی ساختارهای مختلف هسته ای/پوسته ای غیر آلی ، می توان توزیع فضایی الکترون ها و حفره ها در نقاط کوانتومی را به طور دقیق کنترل کرد تا تعدیل مورد نیاز خواص نوری ، الکترونیکی و شیمیایی برای انطباق با طیف وسیعی از پتانسیل ها فراهم شود. Bawendi [38] و Alivisatos [40] مطالعات مفصلی را در مورد رشد cdse/Zns و cdse/cds گزارش کردند و تأثیر ترکیب و ضخامت پوسته را بر روی جابجایی حامل برجسته کردند و کرنش شبکه های هسته/پوسته مهم را پیشنهاد کردند. در میان تمام روشهای مصنوعی که برای رشد نقاط کوانتومی هسته/پوسته استفاده می شود ، طرح جذب و واکنش لایه پیوسته یونی (sILAR) که توسط Li [41] و همکاران ایجاد شده است. همیشه رایج ترین بوده است. با این حال ، از آنجا که روش sILAR معمولاً زمان بر و پیچیده است ، نقاط کوانتومی توسط"؛ روش تک گلدان" تهیه می شوند. همچنین بازده کوانتومی بالایی دارند. سنتز نقاط کوانتومی cdse/cds/cdZns هسته/چند پوسته [42] به کمک مایکروویو دارای درخشندگی بالا و ثبات عالی است. این روش مزایایی را در سنتز مبتنی بر تزریق ارائه می دهد ، مانند انتخاب پذیری فعال سازی پیش سازها ، تکرارپذیری دسته ای به دسته ای بالا و تولید نانوبلورهای تقریباً مداوم." ؛ روش تک گلدان" ؛ برای آماده سازی لایه پوسته CDS/ZNS با رشد گرادیان خارج از هسته CDSE استفاده می شود. به دلیل رابط کریستالی کنترل شده بین دو لایه پوسته در دمای بالای 310 درجه سانتی گراد ، حدود 90 درصد از عملکرد کوانتومی را دارد [43].

با این حال ، مواد هسته و پوسته معمولاً دارای پارامترهای مختلف شبکه هستند. بنابراین ، نقص های ساختاری مستعد ظاهر شدن در رابط هسته پوسته ، یک کانال تضعیف غیر تابشی را فراهم می کند و این ساختار همچنین عملکرد کوانتومی نقاط کوانتومی را کاهش می دهد. بنابراین ، علاوه بر در نظر گرفتن ساختار الکترونیکی خود ماده ، پوسته باید به طور مناسب برای حداقل عدم تطابق شبکه بین هسته و پوسته تنظیم شود تا از نقص های ساختاری جلوگیری شود [44]. برای حل این مشکل ، یک روش ممکن استفاده از لایه آلیاژ یا پوسته گرادیان به عنوان لایه بافر است. در این ساختار ، یک لایه آلیاژ درجه بندی شده که به تدریج از یک ماده به ماده دیگر تغییر می کند ، برای تسکین فشار ناشی از عدم تطابق شبکه استفاده می شود. در سال 2005 ، نقاط کوانتومی چند پوسته CDSE / CDS / Zn0.5cd0.5s / ZNS برای اولین بار سنتز شد [45] ، و این مفهوم پیشنهاد شد. با تغییر تدریجی لایه آلیاژی بین ZNS که ناسازگاری مشبک بزرگتری با CDS دارد ، عملکرد کوانتومی بالاتری بدست می آید. این مفهوم به طور گسترده ای در مواد مختلف نقطه کوانتومی کاربرد دارد. علاوه بر این ، این آلیاژ گرادیان می تواند به طور م recomثر از ترکیب مجدد Auger غیر تابشی جلوگیری کند. علاوه بر مهندسی پوسته های مختلف با پارامترهای مختلف شبکه برای الکترولومینسانس ، لایه آلیاژ گرادیان نیز می تواند نوترکیبی Auger غیر تابشی را کاهش دهد. برای بهبود نرخ پوسیدگی ، در نتیجه بهبود کارایی کوانتومی خارجی الکترولومینسانس [46].

3. کاربردهای نورپردازی نقاط کوانتومی

با بهینه سازی مستمر روشهای سنتز ، طراحی ساختاری و بهبود تدریجی عملکرد نقطه کوانتومی ، تحقیق و تجاری سازی دستگاههای نقطه کوانتومی فوتولومینسانس نیز دائماً در حال انجام است [47-50]. دو کاربرد نورپردازی عمدتاً عبارتند از: نورپردازی نمای رنگی بالا با استفاده از پوشش کامل طیف نور مرئی نقاط کوانتومی و استفاده از نور پس زمینه صفحه نمایش با استفاده از پهنای باند انتشار محدود.

شکل 2 مزایای نقاط کوانتومی در (الف) نمایشگر و (ب) روشنایی

3.1 دستگاه های روشنایی حالت جامد با شاخص رندر رنگ بالا

دستگاههای سنتی روشنایی حالت سفید جامد معمولاً از دیودهای ساطع کننده نور GAN و YAG: فسفرهای خاکی کمیاب زرد CE [51] تشکیل شده اند ، اما این LED سفید سفید اغلب توزیع دمای رنگ بالا (CCT>؛ 5000K) و شاخص رندر رنگ کم (CRI).<؛ 70) fwhm=& quot؛"؛> ؛ 60 نانومتر) و نمی توان از این ضرر جلوگیری کرد. در مقابل ، قابلیت تنظیم نقاط کوانتومی در طیف نور مرئی امکان ترکیب رنگهای قابل کنترل بیشتری را فراهم می کند و نیم عرض طیف نسبتاً باریک است (FWHM=30 نانومتر) ، که می تواند نور سفید با کیفیت بالاتری را با یک سفارشی دقیق ایجاد کند. طیف (cRI>؛ 90) [55]. در سال 2008 ، نظام اوغلو و همکارانش. [56] مکانیزمی را که نقاط کوانتومی CDSE/ZNS می توانند نور قرمز و سبز را ساطع کنند ، مورد مطالعه قرار داد و برای اولین بار نقاط کوانتومی را در یک تراشه LED آبی محصور کرد تا نور سفید به دست آید. این ساختار ترکیبی از نقاط کوانتومی یکی از روشهای اولیه استفاده از LED های آبی برای تولید نور سفید با کیفیت بالا است. اولین کاربرد تجاری نقاط کوانتومی در نورپردازی حالت جامد بود. در سال 2010 ، QD Vision در ایالات متحده و فناوری Nanojing چین دستگاه های خنک کننده و گرم کننده نقطه کوانتومی را معرفی و آنها را در محصولات روشنایی LED استفاده کرد.

یکی از راههای استفاده از نقاط کوانتومی برای تهیه دستگاههای روشنایی حالت جامد با شاخص رندر رنگی بالا ، استفاده از فسفرها و نقاط کوانتومی برای ترکیب و استفاده از طیف عالی نور قرمز نقاط کوانتومی برای جبران طیف فسفرها است. شاخص رندر رنگ بالا انتشار نور سفید. chung [57] نور قرمز cdse/Znse هسته/پوسته نقاط کوانتومی را در YAG فوق مخلوط کرد: فسفر ce و آن را در LED قرار داد ، که می تواند شاخص رندر رنگ را به 92 افزایش دهد. siffalovic [58] و غیره استفاده از نقاط کوانتومی cdse/Znse مخلوط با فسفر و تبدیل به یک فیلم نازک ، شاخص رندر رنگ دستگاه بسته بندی شده نور سفید به 92 رسید. شی [59] و همکاران. ساختار نقاط کوانتومی و فسفرها را بهینه کرده و لایه فسفر را روی فیلم نقطه کوانتومی قرار داده است تا بازده لومن را به 110lm/W افزایش دهد و شاخص رندر رنگ به 90 برسد.

روش دیگر استفاده از طیف قابل تنظیم نقاط کوانتومی و استفاده از نقاط کوانتومی با قله های مختلف انتشار برای بسته بندی است. لی [60] و همکاران. نقاط کوانتومی ساطع کننده نور قرمز و سبز از راه دور محصور شده ، مختصات رنگ سفید سفید می تواند به (0.27 ، 0.23) برسد. شین [61] و همکاران از شکاف های هوایی برای قرار دادن نقاط کوانتومی در تراشه های LED که با رزین سیلیکون قطره شده استفاده کرد. شاخص رندر رنگ به 81 رسید. لین [62] و همکاران. نقاط کوانتومی رنگهای مختلف cdse/Zns را روی یک بستر انعطاف پذیر مخلوط کرده و از منبع نور ماوراء بنفش به عنوان نور تحریک استفاده کرده و بالاترین شاخص رندر رنگ به 96 رسیده است.

علاوه بر این ، ورود یونهای دوپین شده نوری فعال به نقاط کوانتومی می تواند قله های انتشار ناخالصی را در طیف انتشار نقاط کوانتومی ایجاد کند ، که می تواند با سایر نورهای ساطع شده ترکیب شود و نور سفید ایجاد کند. این اصل استفاده از یون های دوپ شده برای تابش نور برای تهیه LED های سفید سفید است. به در مقایسه با نقاط کوانتومی بدون دوپینگ ، اوج ناخالصی نسبت به اوج انتشار لبه نوار میزبان تغییر رنگ قرمز می دهد ، که باعث افزایش تغییر استوکس می شود ، در نتیجه تأثیر خود جذب نقطه کوانتومی را کاهش می دهد. در همان زمان ، در مقایسه با مواد درخشان دوپینگ ، زیرا مواد غیر دوپینگ پایداری فتوشیمیایی و حرارتی بالاتری دارند [63]. بر اساس گزارشات ادبیات ، LED های سفید تهیه شده توسط انتشار یون دوپین را می توان به سه دسته تقسیم کرد: دوپینگ Mn2+ ، دوپینگ cu2+ ، و دوپینگ Mn2+ و cu2+. شو [64] و همکاران cds/Zns نقاط کوانتومی سنتز شده با یونهای Mn2+ توسط" ؛ فلش" ؛ روش ، و LED های سفید بسته بندی شده با YAG: فسفرهای ce ، و شاخص رندر رنگی آن به 80 رسید. وانگ [65] و همکاران. cds/Zns نقاط کوانتومی ترکیب شده با یونهای cu2+ ، که فلورسانس را در نوار قرمز بهبود می بخشد ، با شاخص رندر رنگی {{16}} ؛ وانگ [66] و همکاران. Mn2+ در هسته Znse و cu2+ در پوسته Zns. ، دستگاه تابش نور سفید بسته بندی شده به 95 می رسد و بازده لومن 73.2lm/W است که چشم انداز بالاتری دارد.