有机硅功能化碳点的制备及其在白光LED中的应用

摘要

固态第四代光源-LED是显示与照明技术的核心器件，具有节能环保、使用寿命长、经济效益高等诸多优势。目前，商用LED用光转换材料以稀土掺杂的无机荧光粉为主。荧光粉制备条件苛刻，且通常包含昂贵的稀土元素，这些稀土元素有限且会对环境造成危害，荧光粉颗粒不均一，会存在挡光、漏光问题。量子点作为一种光转换材料，通常包含重金属成分，也是不环保的，量子点还存在光闪烁与光漂白等问题，导致LED性能下降。另外，荧光粉、量子点与LED封装材料相容性差，容易造成团聚，影响器件的稳定性与光学性能。碳点作为一类新型碳纳米材料，由于其制备方法简单、环保低毒、易于功能化、光化学性能稳定而深受关注。有机硅材料具有优异的耐高低温、耐候性、高透过率与折光率，在LED封装方面具有广泛的应用。本论文从碳点易于功能化的优势出发，制备了三类有机硅功能化的碳点发光材料，包括绿光发射的硅油功能化碳点、绿光和红光发射的硅烷功能化碳点，并研究其在二基色和三基色白光LED的应用。有机硅功能化碳点可实现自固化或共固化封装，有望在白光LED上发挥发光层与封装层双重作用，有效避免传统白光LED光转换与封装材料的相容性问题，为提高LED性能提供新的思路。本论文主要研究内容如下:
　　(1)硅油功能化绿光碳点及二基色白光LED:采用一步溶剂热法制备了氨丙基硅油功能化的绿光碳点，发光在550 nm（白光LED460 nm激发），通过简单加热可自固化封装得到碳点交联硅橡胶，更有利于同时作为LED发光材料和封装材料。自封装后的LED器件白光CIE坐标值为(0.33，0.28)，与标准的白光CIE(0.33，0.33)非常接近。硅油功能化碳点还可与氨丙基硅油实现不同比例的掺杂，实现共交联固化，得到碳点杂化柔性硅橡胶玻璃（碳点浓度可从10 wt％调至100 wt％)，具有高透过率，并可反复弯折。其中25 wt％的CDs-SR最大弯曲挠度为9.58 mm，曲率半径为26 mm，弯曲模量较低，为5.2 MPa，邵氏硬度为20A，与报道的硅橡胶弹性体相似。这些特性在光电子器件，尤其是在柔性电子器件中尤为重要。此外，有机硅聚合物材料的耐高温性能使得该类碳点材料在LED使用中表现出较好的热稳定性。因此硅油功能化碳点在白光LED和柔性光电器件领域有潜在的应用前景。
　　(2)红光碳点及其红光LED:以对苯二胺为碳源，一步溶剂热法制备了红光碳点。通过调节反应条件与反应物比例，最终得到高量子产率的红光碳点(QY:25％)，与文献报道类似，但是制备方法较文献简单。NaOH使得红光碳点发光波长红移，且对提高量子产率有重要的促进作用。进一步提纯红光碳点，可获得高量子产率的红光碳点(Q Y:32.8％)，及硅烷化红光碳点。结合红光碳点与蓝光LED芯片，制备得到碳点基的红光LED，更加环保节能，在红光显示和照明具有潜在的应用前景。
　　(3)硅烷功能化碳点在三基色白光LED的应用:调节白光LED中硅烷化绿光碳点与硅烷化红光碳点的相对比例，显色指数可在69-88范围内调控，高于硅烷化绿光碳点制备二基色型白光LED(显色指数为56-58)，满足室内照明需求。硅烷化红光碳点的引入可提高LED显色指数，同时使得发光波长红移。色温可在5592-8732 K范围内调控，光效最高为54.4 lm/W。并且制备的白光LED的CIE坐标可为(0.33，0.33)，与纯白光相同。以上表明，硅烷化碳点在三基色白光LED方面具有很好的应用前景。硅烷化绿光碳点与硅烷化红光碳点具有相似的烷氧基硅烷功能基团，可共水解缩合形成三维交联结构，使得硅烷化碳点有望在LED器件中同时作为发光层与封装层。这种方法将有助于避免传统LED中光转换与封装材料的相容性问题，并且可以简化LED器件的制备，为获得高性能的白光LED器件提供了可能。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 碳点概述

1．2 碳点的荧光性能及机理

1．2．1 带隙跃迁共轭π域荧光机理

1．2．2 表面态缺陷荧光机理

1．2．3 碳点的可调荧光发射

1．3 碳点的合成方法

1．3．1自上而下

1．3．2 自下而上

1．3．3 碳点的表面钝化与功能化

1．4 白光LED

1．4．1 白光的产生方式

1．4．2 白光的评价指标

1．4．3 白光LED的光转换材料

1．5 有机硅材料在LED封装方面的应用

1．6 论文的选题意义及研究内容

第二章 氨丙基硅油功能化碳点的制备及其在白光LED的应用

2．1 实验部分

2．1．1 主要试剂

2．1．2 主要仪器

2．1．3 实验过程

2．1．4 表征方法

2．2 结果与讨论

2．2．1 氨丙基硅油的表征

2．2．2 荧光AMS-CDs的表征及其光学性能

2．2．3 CDs-SR的表征、及其光学和力学性能

2．2．4 AMS-CDs在白光LED的应用

2．3 本章小结

第三章 红光碳点的制备及红光碳点LED

3．1 实验部分

3．1．1 主要试剂

3．1．2 主要仪器

3．1．3 实验过程

3．1．4 表征方法

3．2 结果与讨论

3．2．1 反应条件对CDs—A光学性能的影响

3．2．2 CDs-B与CDs-C的表征及其光学性质

3．2．3 红光碳点LED

3．3 本章小结

第四章 硅烷化碳点在三基色白光LED的应用

4．1 实验部分

4．1．1 主要试剂

4．1．2 主要仪器

4．1．3 实验过程

4．1．4 表征方法

4．2 结果与讨论

4．2．1 G-SiCDs的表征及其光学性质

4．2．2 硅烷化碳点在三基色白光LED的应用

4．3 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

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