氮化硼对量子点光转化LED流明效率的影响*

摘要：量子点光转化 LED(QCLED)是LED发展中的一种新型器件，然而，QCLED的流明效率无法满足实际应用的要求。本文针对QCLED器件流明效率低的技术难题，在量子点光转化涂层中掺入六方氮化硼纳米粒子，利用其强散射效应，提高QCLED的流明效率。通过实验研究，得出氮化硼粒子的最优掺入浓度，当氮化硼粒子掺入浓度为0.25wt%时，QCLED的流明效率与传统QCLED相比增加了17.7%，达到了提升QCLED流明效率的目的。

关键词：QCLED；流明效率；氮化硼纳米粒子

*基金项目：2019年广东省普通高校青年创新人才类项目，项目编号：2019GKQNCX089

发光二极管（light-emitting diodes，LED）是利用半导体价电子和空穴的带间跃迁复合、将电能转化为光能的新型发光器件。相比于卤素灯与白炽灯光源，LED 具有节能、环保、安全、长寿命、高亮度等优点，在固态照明、背光显示、交通、电子设备等领域得到了广泛应用，是二十一世纪最重要的发明技术之一。

量子点（quantum dot，QD）是 1981 年由俄罗斯物理学家 Alexey I.Ekimov 发现的，它是一种由几个原子组成的新型纳米材料（三个维度尺寸均在 1-10 纳米数量级），近年来在科研和工业生产领域引起了极大的关注^[1-2]。量子点材料显现出的量子限域效应、宏观量子隧道效应、表面效应，使其拥有独特的光电特性。量子点对一定范围内短波光子具有强烈吸收能力，促使电子在分子轨道上发生跃迁并释放长波光子，从而实现下转化发光。量子点 LED 是利用量子点发光特性与半导体发光原理相结合的一种新型量子点有机发光器件。相比于传统荧光粉材料，具有更高荧光量子产率、窄半峰宽度、荧光寿命长以及波长可调等优点的量子点下转化发光材料受到了业界的重视，并显现出取代传统荧光粉下转化材料的潜力。量子点光转化 LED 器件（quantumdot converted LED，QCLED）是一种需要额外光源的下转化发光技术^[3]，其发光模式是：量子点从 GaN 基蓝光芯片等外界光源中获得光能，量子点分子轨道上的电子吸收光能后从价带跃迁至导带，导带底的电子和价带顶的空穴随即产生带边复合发光。

QCLED 的生产需要大量的量子点，但量子点的制备方法不成熟，尚未实现量产，生产成本较高。更为重要的问题是，QCLED 封装中量子点的流明效率和稳定性不理想^[4]，量子点的粒径小于 10 nm，难以有效分散封装胶体内部的光，蓝光难以被量子点均匀吸收，转化造成 QCLED 流明效率较低，如图 1 所示。因此，提高量子点在封装中的使用效率，即提高 QCLED 的流明效率，是一个值得研究的课题。

有研究者将氮化硼纳米粒子掺入到 UVLED（紫外 LED）的硅树脂封装中以提高光输出功率。这种封装与纯硅封装相比流明效率增加了 8.1%^[5]，因此我们推测掺入氮化硼也可以提高 QCLED 的流明效率，原理如图 2 所示，氮化硼粒度远大于量子点，其较强的散射能力有利于量子点对蓝光的吸收和转换，也利于光线的出射。

1 实验部分

本实验使用的 CdSe/ZnS 核壳量子点购买于北京北达聚邦科技有限公司，平均直径为 10 nm，量子点产率（PLQY）大于 80%。高纯度氮化硼纳米粒子购买自上海巷田纳米材料有限公司，为六方氮化硼，直径约 120 nm，氮化硼粉末在阳光下呈白色，间接证实了氮化硼粒子对可见光的优异反射性能。

①制备掺入氮化硼纳米粒子 QCLED 步骤如下：

制备浓度为 1.2 wt% 的 量子点胶体。首先，将 237.6 mg 量子点分散在少量正己烷中，充分溶解。然后，称取 18 g 聚二甲基硅氧烷（PDMS）有机硅，加入量子点溶液中，将混合物放入搅拌机，在室温下搅拌 80 分钟以上使正己烷完全挥发。最后加入 1.8 g 固化剂，获 得浓度为 1.2 wt% 的量子点胶体。

②称取氮化硼粒子，掺入到 1.2 wt% 的量子点胶体中，获得 6 种浓度的氮化硼 - 量子点胶体：0 wt%、 0.05 wt%、0.1 wt %、0.25 wt %、0.5 wt %、1 wt %，将以上胶体放入真空脱泡机，在室温下真空脱泡。

③将真空脱泡后的氮化硼 - 量子点胶体注入模具型腔中，每种氮化硼粒子浓度制作一片薄膜，通过模具中间的垫圈控制薄膜厚度，垫圈厚度设计为 1 mm。胶体注入完后，将六组模具放入 100 ℃ 烤箱中固化 30 分钟，待模具冷却后，用工具把薄膜从模具中取出，得到六片厚度为 1 mm 的氮化硼 - 量子点光转化涂层。

④对六片氮化硼 - 量子点光转化涂层进行裁剪，贴装至蓝光 LED 光源上，LED 光源的发射峰波长为 450 nm，器件顶面用透明硅胶进行封装，该硅胶与用于制作氮化硼 - 量子点光转化涂层的 PDMS 一致，以消除折射率的差异。最后把 LED 芯片固定到作为电路板和散热器的铝基板上，用两根铜导线引出正负极，完成远程型氮化硼 QCLED 的制作。

⑤使用积分球测试系统测试远程型氮化硼 QCLED 的光通量及流明效率，测试电流为 200 mA，分析实验结果，得出结论。

2 实验结果讨论

在可见光谱中，眼睛对波长为 555 nm 的黄光最敏感，而对光谱两侧的光则不那么敏感，在同等辐射通量下，人眼对高敏感度光的能量感受更强烈。由于人眼为器件发光效果的直接受体，因此用光通量来表示以人眼敏感度为基准的辐射能量，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积^[6]。掺入不同 浓度纳米氮化硼的 QCLED 器件的光通量（流明）以及 流明效率如图 3 所示，上述测量使用积分球进行测试。 当纳米氮化硼的掺入浓度为 0.25 wt% 时， 氮 化 硼 QCLED 器件的光通量和流明效率达到了峰值（光通量 41.08 lm，流明效率 62.61 lm/W），比无纳米氮化硼掺 杂的传统 QCLED 器件的数值（光通量 34.89 lm，流明 效率 53.32 lm/W）高了 17.7%。该结果表明，纳米氮化 硼的掺杂带来了蓝光散射能力的提升，使更多的蓝光能 够被量子点吸收。同时，因为内全反射现象的减弱，量 子点转化的黄光能够更有效地进行出射，避免了量子点 对黄光的重吸收。二者的共同作用使得器件的黄蓝比得 到了有效提升，光线的主要能量更多的分布在了人眼所敏感的黄光区，因此器 件的光通量和流明效率都得到了提升。当纳米氮化硼的 掺杂浓度高于 0.25 wt% 时，氮化硼 QCLED 器件的光 通量、流明效率逐渐下降，这是因为在过高的纳米氮化 硼浓度下，封装胶体内部的后向散射严重，器件整体辐 射通量下降过多，在这种情况下，高黄蓝比也不能使器 件的光通量提升，与此同时，氮化硼 QCLED 的流明效 率也表现出了相似的规律。

3 结语

实验数据表明，在不过度影响器件辐射通量的情况下，在量子点光转化涂层中掺入低浓度的氮化硼纳米粒子，能有效提升远程型 QCLED 的光通量和流明效率。由于量子点的价格十分昂贵，通过掺入氮化硼纳米粒子减少 QCLED 中量子点的用量，提高器件的光通量和流明效率，这种方法具有较好的应用前景。

参考文献：

[1] JIN Y,GAO X.Plasmonic fluorescent quantum dots [J].Nature Nanotechnol,2009,4(9):571-576.

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

[3] 朱永明.量子点转化 LED 的光谱与封装结构优化[D].武汉：华中科技大学, 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：本文转自《电子产品世界》杂志2022年6月期）