基于CsPbBr3荧光材料的柔性LED 灯丝制备研究

常州市第三中学 江苏 常州 213017

1 引言

近年来,随着白炽灯的退出,LED (Light Emitting Diode)灯丝因其与白炽灯的外形相似、光学性能相似甚至制备成本更低而成为市场热点。目前市场上LED灯丝根据基底材料不同可分为硬灯丝和软灯丝,其中硬灯丝的基底材料主要是蓝宝石、陶瓷、玻璃和金属,基底的导热率不高,使得灯丝存在散热不足现象,另外刚性材料的使用,限制了灯丝的设计性,不利于LED灯丝的推广[1,2]。而柔性灯丝的是以铜箔覆合高分子薄膜为基底材料,可塑性较强满足了市场需要更适合推广[3,4]。

荧光体材料的选择为柔性灯丝制备的另一核心环节,近年来钙钛矿量子点荧光材料因具备发光效率高、带隙可调、色纯度高、载流子传输特性突出等优异特性,可广泛应用于照明、显示和激光等领域[5,6],备受业内青睐,成为领域内的研究前沿。钙钛矿材料的结构通式为:AMX3,其中A为CH3NH3、CH(NH2)2、Cs,M 为Pb、Sn、Ge,X为卤族元素 Cl、Br、I。前期研究中主要以有机-无机杂化铅基卤化物为主,如CH3NH3PbX3、CH(NH2)2PbX3,但低的水热稳定性为制约上述有机-无机杂化材料发展的制约因素。于此,全无机卤素钙钛矿CsPbX3量子点荧光材料应运而生,其较有机-无机杂化材料具备更优的水、热稳定性,为目前业内的研究热点。

目前,CsPbX3量子点荧光材料的制备方法主要包括旋涂技术、注入法、热溶剂法、饱和析晶法等,其中饱和析晶法因具备常温常压、成本低廉、简单易操作的优点,备受研究人员青睐。本文首先采用室温饱和析晶法合成高显色性、性能稳定的全无机钙钛矿CsPbBr3荧光材料,并制备成胶体。继而结合倒装封装技术制备的蓝光灯丝,通过点胶技术获得可塑性强、光电性能优异的CsPbBr3家用LED柔性灯丝。

2 实验信息

2.1 CsPbBr3量子点荧光材料制备 首先将1 mmol CsBr加入5ml的DMSO(二甲基亚砜)中充分搅拌溶解制备铯前驱体,同时取1 mmol的PbBr2和0.2 mmol TOAB(四辛基溴化铵)充分溶解在3ml的甲苯中制备铅前驱体。将得到的1ml铯前驱体注入到铅前驱体中充分搅拌得到CsPbBr3量子点荧光材料,之后再以离心速率为6000r/min离心5min,倒出上清液留下沉淀物在40℃的烘干箱中进行干燥24h。

2.2 LED柔性灯丝的制备 取出干燥后的粉末研磨成均匀细小的颗粒,与商用AB胶进行充分搅拌,均匀的混合在AB胶中,其中A:B=1ml:4ml,之后进行离心,用点胶机涂覆在基于倒装封装技术制备的蓝光LED灯丝上,迅速置于加热平板上,施以100℃烘干处理,即可得到基于CsPbBr3荧光材料的LED柔性灯丝。

2.3 样品性能表征 样品的光激发用紫外线分析仪(365nm)进行肉眼观察并拍照;光致激发光谱由爱丁堡公司的F-7000Fl荧光分光光度计测定;使用远方HAAS-2000检测所制灯丝的光电性能。

3 结果与讨论

3.1 CsPbBr3量子点荧光材料性能表征 所制CsPbBr3量子点荧光材料实物图如图1a所示,在365nm紫外光照射下,所合成的产物激发呈现绿光,肉眼观察可知其有较强的发光强度。从图中可以看出,通过室温饱和析晶法能够合成出的CsPbBr3荧光材料产量较大,另外操作环境相对于之前常用的热注入法要求更低,且步骤简单、成本低,表明本文所用室温饱和析晶法可以通过增大反应比例可实现大批量生产,适合商业化量产。

图1b是样品CsPbBr3量子点的光致发光光谱图,通过测试发现,样品具有一个高度对称的发光峰,中心波长位于523nm,查阅文献可知样品呈现的是绿光。CIE 色品图是根据三基色(红、绿、蓝)匹配原理来规定一种颜色,利用坐标x,y来描述颜色,图1c的CIE色品图中的黑圈代表的是样品CsPb-Br3量子点的颜色坐标,值为x=0.1619,y=0.7369,可以反映出样品坐落于绿色区域,与上述光致发光光谱分析一致。

3.2 LED柔性灯丝性能表征 文中基于商用AB胶,将上述CsPbBr3量子点荧光材料制备成胶体,并结合点胶技术将胶体均匀涂覆于柔性蓝光LED灯丝,通以电流后所制柔性灯丝即可激发获得绿光。图2a为基于CsPbBr3荧光材料制备的柔性LED灯丝实物图,图中可看出所获柔性灯丝可随意弯曲,可塑性强。在365nm的紫外光照射下,灯丝激发呈现绿光。图2b为LED柔性灯丝在不同驱动电流下测试出的光致发光光谱,驱动电流不同,发光峰形状未发生明显变化,但出现随着电流增大峰值强度出现增高的现象,具体的参数变化如表1所示。

图1 a)CsPbBr3量子点荧光材料实物图,b)光致发光光谱图,c)CIE色品图

图2 a)LED柔性灯丝实物图,b)不同驱动电流下LED柔性灯丝光致发光光谱图

驱动电流从50、55增加到60mA时,点亮后的LED柔性灯丝的光通量分别为52.014、76.214和80.584lm,呈现驱动电流增大光通量上升的趋势。积分强度的值分别为93.401、133.21、139.78,呈增大趋势。色纯度保持在90%以上,半波宽则表现出减小的趋势。这表明随着电流强度的增大,所制备的灯丝光电性能增加。

4 总结

本文利用饱和析晶法制备出全无机钙钛矿CsPbBr3量子点荧光材料,并与基于倒装封装技术制备的蓝光LED灯丝结合,制备CsPbBr3绿光LED柔性灯丝,同时研究了量子点的荧光特性与柔性灯丝的光电特性。结果表明合成的荧光材料波长位于523nm,色坐标位于(0.1619,0.7369)绿色区域。所制柔性LED灯丝形状可塑性强,在驱动电流变大的情况下光通量、积分强度均呈增大趋势,色纯度则高达94.3%,半波宽窄至24.3nm。本文涉及的工艺操作简单、成本低廉,利于产业化进程,所制CsPbBr3柔性LED灯丝性能优异,有望用于家用照明市场。