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【阿拉丁】量子点在电子和能源领域的应用

发布人:上海阿拉丁生化科技股份有限公司

发布日期:2024/3/15 17:25:57

量子点在电子和能源领域的应用

 

 

什么是量子点?

量子点(QDs)是一种纳米级(约2-10纳米)的半导体材料。由于尺寸较小,量子点表现出量子约束效应以及与尺寸相关的电学和光学特性。自20世纪 80年代发现镉基QDs以来,人们已经合成并研究了多种镉基和非镉基QDs。通过调整QDs的形状和尺寸,QDs的电学和光学特性得到了显著改善,并已成为一类重要的材料,其应用范围从发光二极管(LED)扩展到光伏、光电探测器、激光器和场效应晶体管。本篇技术文章总结了一些新型非镉基QDs的特性以及QDs的不同应用。

 

钙钛矿量子点 

最近发现的通用分子式为 APbX3 [A = Cs、MA(甲胺)、FA(甲脒),X = Cl、Br、I]的钙钛矿量子点引起了人们极大的研究兴趣。这主要是因为它们具有很高的光致发光量子效率(PLQY,高达95%)和很窄的发射带宽(FWHM < 20-30 nm)。钙钛矿量子点被认为是CdSe基QDs的最佳替代品之一。根据卤化物的尺寸和成分,CsPbX3 QDS的发射波长可以调整到覆盖整个可见光谱区(从450纳米到700纳米)。图1展示了各种钙钛矿量子点在紫外光照射下的颜色。CsPbCl3 QD发出蓝光,随着Cl部分被Br取代,产生混合卤化物包晶CsPb(Cl/Br)3(图 2),发射波长转移到可见光谱的绿色区域。成分为CsPbBr3的QD会发出绿光,CsPb(Br/I)3的发射波长转向黄色,CsPbI3的发射波长则变为红色。

在各种包晶型QDs中,CsPbX3(X = Cl、Br)组成的QDs最为稳定,其发射波长在450-510 nm之间,这些QDs具有更强的光学特性和化学稳定性,因此在光电应用中很有前景。这些低铅含量的无镉QDs可应用于LED、LCD背光和光电探测器。

 

图1. 各种钙钛矿量子点在紫外线照射下的颜色。

 

 

图2. 钙钛矿量子点CsPbX3(X- Cl和Br)的发射波长

 

PbS量子点

硫化铅量子点的发射波长可根据其尺寸(2.5-8纳米之间)在900-1600 纳米之间调整,这属于电磁波谱的红外(IR)波段。通常,硫化铅量子点具有较宽的吸收光谱范围和较窄的荧光带(图 3)。这些特性使PbS QDs适合用作太阳能电池、光电探测器和红外线LED中的光吸收器或红外线(IR)发射器。

 

量子点具有宽吸收光谱(从近红外延伸到红外)、高峰谷比(大于4)、窄带发射(FWHM < 100 nm)和高PLQY等特性,因此在太阳能光伏应用中特别受关注。这些特性使PbS QDs适合用于串联和多结太阳能电池,以提高太阳能电池板的效率。

 

图3. ~4 nm PbS量子点的吸收和发射波长

 

量子点的应用

发光二极管 (LEDs)

量子点在LED器件的发光层中具有很好的应用前景。窄幅的发射宽度(由窄幅的半高宽(FWHM)定义)和发射波长的可调谐性使得量子点在尺寸和成分上的简单变化对LED具有吸引力。此外,通过卷对卷印刷制造具有量子点基LED的光电器件的可能性,以及大多数量子点与轻质、柔性塑料基板的兼容性,为制造低成本、大面积柔性器件开辟了新的应用前景。可见量子点LED(Visible quantum dot -based LED)具有色彩纯度高、亮度高、功耗低等优点,被认为是继OLED显示器之后的新一代显示技术。

图4展示了基于量子点的LED器件的原理图。首先,在以玻璃或高分子材料为基片的氧化铟锡(ITO)上旋转涂覆空穴传输层(HTL),然后用旋涂法制备量子点。对于可见LED,使用钙钛矿、CdSe或InP基的量子点,PbS量子点可用于红外LED。沉积量子点之后是沉积电子传输层(ETL)和电极。电极通常用金属制备,如银、金或铝,并通过热蒸发系统沉积[1-6]。

 

图4. 基于量子点的结构草图

 

照明

A)液晶显示(LCD)背光

在传统的液晶显示器中,背光源使用的是LED发出的白色光源。然而,在新一代液晶显示器中,背光系统由蓝色发光二极管和量子点滤光片组成。滤光片包含绿色和红色量子点,可将部分蓝光转换成绿色和红色。由于红光、绿光和蓝光的FWHM很窄,因此色域很宽,从而使液晶显示器上的图像更明亮、对比度更高。此外,这种排列方式还能显著降低能耗。基于QD的滤光片可以设计成三种配置:“片上”、“边缘”和“表面”。在“片上”的配置中,绿色和红色量子点混合放置在LED封装内蓝色芯片的顶部;在“边缘”配置中,混合物被置于封装中靠近LED的玻璃导轨内;在“表面”配置中,聚合物薄膜中的混合量子点集成在蓝色 LED 和 LCD 矩阵之间(图 5)[7-11]。钙钛矿、基于CdSe和InP的量子点在可见的电磁光谱范围内发射,可在背光中有着广泛的应用。

 

图5. 量子点液晶背光在“表面”配置的原理图

 

B)荧光粉

量子点可以作为荧光粉用于白色照明或园艺照明(图6)。在这些应用中,最高效、最便宜的蓝光LED被用作主光源,与液晶显示器类似,QD被用作荧光粉,可以将部分蓝光转换成另一种光。照明设备的可能配置有“片内”和“远程荧光粉”两种。在“片内”配置中,QDs混合物被置于LED封装内蓝色芯片的顶部,而在“远程荧光粉”配置中,QDs混合物被置于蓝色LED之后的聚合物薄膜中。在白光照明中,混合物由绿色和红色QDs组成。在白光照明中使用QDs的主要优点是可以获得较高的显色指数(CRI)和相关色温(CCT)。与自然光源相比,这些参数是衡量光源再现各种物体颜色能力的指标。

红色量子点聚合物复合材料有望用于温室植物高效生长的园艺LED。植物叶绿素通常最有效地捕获红色(600-700纳米)和蓝色(400-500纳米)光波,绿色光波被反射。因此,具有蓝色LED和带有红色量子点的聚合物复合材料的设备可以向植物提供更多的光合有效辐射,而不会使它们过热。量子点的使用也能够有效降低能耗成本。

 

图6. QD基础设备(a)白色照明和(b)园艺照明的卡通示意图

 

太阳能电池

PbS量子点在太阳能光伏应用中特别有趣。PbS是一种具有大玻尔激子半径的半导体材料,可以在广泛的太阳光谱范围内实现量子尺寸效应调节。此外,这种材料通过尺寸效应带隙可调谐性,为单材料的串联和多结太阳能电池提供了途径。图7展示了带有量子点的太阳能电池装置的示意图。PbS量子点可以有不同的带隙,通常,P型PbS量子点薄膜是通过自旋涂覆在ETL/ITO/玻璃基片层上逐层沉积的,然后沉积由银或金组成的HTL和上电极,典型的电极沉积是通过加热或电子束蒸发来实现的[12-16]。

 

图7. 量子点太阳能电池结构示意图

 

光电探测器

量子点可用于探测红外和可见光的光电探测器。红外光探测器在夜视相机、大气光谱气体检测、生物医学成像、质量控制和产品检验等领域均有着广泛的应用。可见光光电探测器用于图像传感器,用于将入射光转换为电子信号。量子点还可以用于监控、机器视觉、工业检测、光谱和荧光生物医学成像,使用量子点的优点是易于与硅电子器件或柔性有机衬底集成。此外,量子点还可以通过喷墨打印、溶液铸造和低温蒸发等简单方法沉积在衬底的预制电极上。通过量子尺寸效应可调谐的光学吸收和发射光谱是量子点提供的另一个重要优点。图8描绘了基于量子点的光电探测器的原理图。典型的制备方法是通过蒸发将电极沉积在玻璃或陶瓷衬底上,然后将胶体量子点或聚合物中的量子点混合物自旋涂覆在衬底上,从而在电极之间形成固体量子点膜或量子点聚合物复合材料[17-18]。PbS量子点可用于红外光谱的光电探测器,而基于钙钛矿、CdSe和InP的量子点则更多的被用于紫外-可见光谱上。

 

图8. 量子点光电探测器结构示意图

 

生物医学成像

量子点作为生物医学成像的发光探针有几个优点。这些特性包括高的光稳定性、宽的吸收光谱、大的消光系数和可调谐的发射波长。此外,已有研究表明,量子点的表面可以通过修饰使其附着羧基和胺等表面基团,从而与抗体、多糖和多肽等生物分子结合(图9)。生物偶联量子点已被用作DNA杂交、受体介导的内吞作用、寄生虫代谢监测、组织和细胞结构实时可视化以及诊断应用的探针[19-21]。

 

图9. 表面功能化量子点的示意图:(a)羧基功能化(b)氨基功能化(c)抗体连接

 

参考文献

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