碳量子点在LED光致发光中的应用

近几年，LED的发展一直是学术界比较关心的热点问题，有希望应用于液晶显示屏、全彩显示器和人们日常生活的照明。作用于其中的胶体半导体量子点，如CdSe、CdTe、PbTe，在合成过程中可通过调节量子点的类型来调节带隙、带宽和量子产率，已经逐渐应用于显示器和照明设备。以量子点为基础的LED自发展以来已经取得了巨大的进步，其设备简易、光谱纯度高，表现出的性能要高于液晶显示器和有机发光二极管。然而，以Cd2+、Pb2+量子点为基础的LED所带来的毒性，仍给人类的生活和环境带来了极大的影响。

碳量子点由于带隙可调、成本低，更重要的是对环境友好，因此可成为Cd2+、Pb2+量子点理想的替代品，大量关于提高碳量子点LED性能的工作已经展开。值得注意的是，碳量子点的蓝色荧光量子产率已经高达80％，可以与最好的全无机半导体的量子产率相媲美。然而，碳量子点的荧光发射却受限于表面缺陷和分子状态，这也影响了它应用于LED时的载流子注入效率。为弥补这一缺陷，作为空穴传输层的聚合物已经应用于以碳量子点为基础的LED中。但是，碳量子点发光的机制，以及空穴传输层对发光影响的机理还没能得到很好的解释。除此之外，以此为基础的LED的亮度和电流效率仍比较低。因此，要实现碳量子点的应用的最好方法就是获得高质量的碳量子点带隙。

2017年，我们将柠檬酸和二氨基萘融合并碳化，获得了一个独特的碳骨架结构，首次实现了碳量子点由蓝光到红光的转换，同时伴随蓝色荧光的量子产率为75％，关键点在于合成的碳量子点是氮掺杂、表面钝化且高度结晶。这是第一例不需要添加空穴传输层，只有碳量子点便可以实现从蓝光到红光的光致发光，如图148.10所示。光源非常稳定，且蓝光最大亮度有136 cd/m2，是目前以碳量子点为基础的LED性能最好的体现。白光LED最大亮度可达到2050 cd/m2，电流效率达到1.1 cd/A，赶上了以半导体量子点为基础的LED。同年，利用Ⅱ共轭结构实现了53％的红色发射碳量子点，应用于高显色和稳定的暖白光LED，首次实现了磷基暖白光LED，达到了97的显色指数，为低成本、环境友好、高效的碳量子点在白光LED中的应用提供了光明的前景，如图148.11所示。(www.xing528.com)

2018年，我们又发现了基于窄带宽的三角形碳量子点，量子产率可达54％～72％。