Small:碳点聚集带来色温可调的电致白光

在照明领域,开发色温可调的白光发光二极管对于满足各类高质量照明场景的需求至关重要。碳点作为一种新型的零维碳纳米材料,具有发射光谱宽、量子产率高、发光峰位可调、耐光漂白等特性,而且原料来源广泛、成本低、环境友好且几乎无毒,在开发新型的健康照明技术方面展现出巨大的应用前景。

然而,目前碳点的研究主要集中在将碳点分散于溶液或者绝缘基质材料中,而对于电致发光领域的应用缺乏相关的深入研究。此外,由于橙光和红光等长波长发射的碳点合成较为困难,进一步阻碍了白光碳点电致发光二极管(CDs-LEDs)的发展。

最近,福建师范大学陈大钦教授课题组通过合成高量子产率的黄光碳点,并利用其聚集诱导的发射红移和光谱展宽调控发光光谱。通过选择不同的主体材料并且调控碳点的掺杂浓度,最终实现了一系列暖白、纯白和冷白的白光CDs-LEDs。这些CDs-LED的色温可以沿着黑体辐射曲线连续可调。这是首次报道的通过控制碳点的聚集程度实现色温可调的白光电致发光器件,表明碳点应用于未来新型的照明和显示领域极具前景。

作者利用1,5二氨基萘通过溶剂热反应制备高量子产率的黄光碳点(Y-CDs),Y-CDs表现出本征态带边发射,荧光光谱不随激发波长发生改变。然而,在薄膜状态下(聚集态),由于碳点之间直接接触,发生强烈的π-π相互作用,造成荧光光谱显著红移和展宽,并且量子产率发生骤降。将纯Y-CDs作为发光层制备的CD-LEDs器件性能十分低下。

图1. 碳点在稀溶液(分散状态)和固态薄膜(聚集状态)情况下的光学性能研究。

因此,作者引入宽带隙的聚合物半导体材料(PVK和TFB)与Y-CDs混合,从而避免碳点间的直接相互作用而导致的荧光猝灭。有趣的是,Y-CDs的荧光光谱随着掺杂浓度的增加不断红移并且展宽,表明主客体系下碳点的聚集程度不断发生变化。

图2. 以PVK和TFB分别作为主体材料时,随着碳点掺杂浓度而变化的主体材料/碳点发光层的吸收光谱和荧光光谱。

受到以上结果的启发,作者发现主体材料不仅可以有效抑制Y-CDs之间的聚集猝灭,而且还可以通过调节Y-CDs的掺杂浓度实现其荧光光谱从黄光到红光连续可调。此外,通过改变主体材料的类型,可以调节蓝光发射与碳点的发射相配合,调制出具有不同色温的白光光谱。

图3. 聚合物/碳点主客体掺杂体系的结构示意图。

最终,通过选择不同的主体材料并且调控碳点的掺杂浓度,作者实现了一系列暖白、纯白和冷白的白光CDs-LEDs。由于碳点受到聚集程度的影响,光谱发生红移和展宽,从而使得制备的CDs-LEDs的色温可以沿着黑体辐射曲线连续可调(2863-11240 K)。经过优化的器件最大亮度为1414–4917 cd m-2,外量子效率在0.08–0.87%之间,达到本领域领先水平。

图4. 基于主客体掺杂体系的白光CDs-LEDs的电致发光性能。
图5. 通过调控碳点的掺杂浓度获得色温可调的CDs-LEDs。

上述研究工作得到了国家自然科学基金项目(52102159, 51972060, 12074068, 22103013)和福建省自然科学基金项目(2020J02017)的支持。

作者简介:

王志斌,福建师范大学讲师,研究涉及碳点材料、钙钛矿材料等新型光电功能材料的合成与器件的开发。已发表论文20余篇,被引1300余次,h因子14。

陈大钦,福建师范大学教授,博士生导师。课题组研究方向包括新型发光材料的设计及其在照明与显示领域的应用。已发表论文200余篇,被引13000余次,h因子68。

论文信息:

Bright Electroluminescent White-Light-Emitting Diodes Based on Carbon Dots with Tunable Correlated Color Temperature Enabled by Aggregation

Zhibin Wang, Naizhong Jiang, Menglong Liu, Ruidan Zhang, Feng Huang, Daqin Chen*

Small

DOI: 10.1002/smll.202104551

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202104551