Estudio sobre el efecto de compensación de color de los puntos cuánticos compuestos naranja-rojo en la aplicación WLED

Curvas de desintegración de TRPL de R-QD ( a ) y O-QD ( b ) -basadas en películas delgadas. Duración de R-QD ( c ) y O-QD ( d ) películas delgadas de gel de silicona con diferentes concentraciones

donde yo ( t ) es la intensidad de PL en el momento t , A _i y τ _i representan la amplitud relativa y la vida útil del estado excitado de cada componente exponencial de la desintegración de PL, y n es el número de tiempos de desintegración. Estas curvas de desintegración, como se muestra en la Fig. 3a yb, pueden ajustarse bien mediante una función exponencial doble de acuerdo con la Ec. 1.

Los parámetros de ajuste A _i y τ _i se enumeran en la Tabla S1 y S2. Los tiempos de vida ponderados en amplitud de los R-QD y O-QD se seleccionan como sus tiempos de vida ( τ _ave ) para una mayor investigación. La vida útil se puede calcular a partir de la siguiente ecuación. 2 [31] y se enumera en la Tabla S1 y S2.

Las figuras 3c yd muestran la vida útil de los dos QD monocromáticos en diferentes concentraciones. Ambas vidas aumentan con el aumento de las concentraciones y la tasa de aumento se vuelve más lenta después de 1 mg / ml para las R-QD y 2 mg / ml para las O-QD, respectivamente. Indica que el aumento de la concentración reduce la distancia entre los QD y, por lo tanto, mejora la transferencia de energía y la autoabsorción en los QD monocromáticos [32, 33]. Mientras tanto, el incremento de la vida útil en los O-QD es más obvio que en los R-QD, lo que sugiere una mayor transferencia de energía en los O-QD. Sin embargo, parece que la transferencia de energía no induce la extinción fluorescente de las QD a baja concentración. Por el contrario, puede tener un efecto positivo sobre la intensidad de PL y los QE, como se muestra en la Fig. 2.

Se estudiaron más a fondo las propiedades ópticas de compuestos-QD con diferentes proporciones de peso de R-QD a O-QD. Los espectros PL de las películas delgadas QD compuesto se muestran en la Fig. 4a. En base a los espectros, en la Fig. 4b se extrae la relación de intensidad de pico de QD PL compuesta de 631:605 (nm). La relación de intensidad máxima presenta un incremento creciente con el porcentaje de R-QD, lo que sugiere la transferencia de energía de O-QD a R-QD. La Figura 4c muestra la superposición entre el espectro de absorción R-QD y el espectro de emisión O-QD. Sugiere una alta probabilidad de un proceso FRET, en el que los O-QD actúan como donantes y los R-QD como aceptadores (que se muestra en la Fig. 4d).

Espectros PL de películas delgadas de silicona compuesta-QD con diferentes proporciones de R-QD a O-QD ( a ) y la relación de intensidad máxima compuesta-QD PL ( b ). La superposición del espectro de absorción R-QD y el espectro de emisión O-QD ( c ). Diagrama esquemático de la transferencia de energía en compuestos QD ( d )

El estudio adicional se centra en el proceso FRET en QD compuestos. La Figura 5a presenta el efecto de los R-QD (aceptor) sobre la cinética de emisión de los O-QD (donante). La intensidad de TRPL disminuye con el aumento del aceptor en la muestra de película (analizada a una longitud de onda de emisión máxima del donante de 605 nm). La Figura 5b presenta el efecto de los O-QD (donante) sobre la cinética de emisión de los R-QD (aceptor). Por el contrario, la intensidad de TRPL aumenta con el aumento del donante en la muestra de película (analizada a una longitud de onda de emisión máxima del aceptor de 631 nm). Las curvas de desintegración de la Fig. 5a yb se pueden ajustar con las 2 exponenciales, y las amplitudes detalladas, los componentes de la vida útil y la vida útil ponderada en amplitud de las QD se enumeraron en la Tabla S3. Se encontró que la vida útil de la muestra O-QD era de 30,25 ns. Cuando se introducen los R-QD del aceptador, la vida útil de los O-QD del donante disminuye (Tabla S3) debido a la intervención del canal de transferencia de energía. La vida útil del donante se acorta con el aumento de la concentración de aceptor. Por el contrario, se encontró que la vida útil de la muestra R-QD era de 13,08 ns. Cuando se introducen las O-QD del donante, las R-QD del aceptador presentan un aumento en la vida útil como resultado de la alimentación de energía (Tabla S3) [34]. Los resultados calculados se muestran en la Fig. 5c, que demuestra claramente los fenómenos.

Curvas de desintegración de TRPL de películas delgadas QD compuestas con diferentes proporciones de R-QD a O-QD en la longitud de onda de emisión máxima del donante ( a ) y longitud de onda de emisión máxima del aceptor ( b ). La variación de la vida útil de la disminución del donante y la vida útil del incremento del aceptador ( c ). La comparación del incremento relativo entre la eficiencia de FRET y la proporción de R-QD, y la eficiencia de FRET calculada bajo las diferentes relaciones de R-QD a O-QD ( d )

El proceso FRET también se investiga por la eficiencia de transferencia de energía. La eficiencia de FRET se puede calcular de acuerdo con la vida útil como se ilustra en la Ec. 3.

donde τ _DA es la vida útil de la fluorescencia del donante en presencia del aceptor, τ _D es el tiempo de vida de la fluorescencia del donante en ausencia de aceptor [26]. Muestra que τ _DA es inversamente proporcional a la eficiencia de transferencia de energía. Por lo tanto, a medida que aumenta la relación aceptor-donante, el τ _DA se acorta y aumenta la eficiencia de transferencia de energía. Una mayor eficiencia de transferencia de energía refleja un mayor impacto en la fluorescencia. Además, analizamos la eficiencia FRET de QD compuestos en la Fig. 5a. Los resultados calculados se enumeran en la Tabla 1 y la eficiencia alcanza el 33,2% con la mayor proporción de aceptor. Mientras tanto, la Fig. 5d muestra el cambio de la eficiencia de FRET bajo diferentes proporciones de donante a aceptor. La eficiencia de FRET aumenta con el aumento de R-QD (aceptor) en los QD compuestos y la tasa de incremento de la eficiencia es cercana a la de los R-QD. Indica que el incremento de la transferencia de energía es sensible al incremento del aceptador.

Como el mejor espectro de continuidad para la iluminación LED en luz naranja-roja, los QD compuestos con una relación de peso de 1:10 de R-QD a O-QD se seleccionan para un estudio adicional. La Figura 6a muestra los espectros PL de las películas delgadas de silicona QD compuesta con diferentes concentraciones de QD compuestas en la misma relación en peso de R-QD a O-QD (R:O =1:10). Además del aumento de la intensidad PL global, la proporción de luz roja (631 nm) también aumenta obviamente con el aumento de la concentración QD, como se muestra en la Fig. 6b. Este fenómeno se puede atribuir al aumento de FRET con el aumento de la concentración de QD. Además, la tasa de aumento de la luz roja se vuelve más lenta a mayor concentración de QD. Esto podría deberse a la saturación de la transferencia de energía (ET) entre QD. Sin embargo, los QE absolutos de las películas delgadas de compuesto de silicona QD exhiben un cambio de menos del 5% con diferentes concentraciones de QD compuestos, como se muestra en la Fig. 6c. Parece que 1.0-1.5 mg / mL es la concentración QD más favorable para QD compuestos en la aplicación, lo que asegura una QE alta con una variación de espectro baja.

Espectros PL de películas delgadas de silicona QD compuesta tal como se prepararon con diferentes concentraciones ( a ) y sus relaciones de intensidad pico PL ( b ). QE de las películas delgadas de silicona QD de composite tal como se prepararon ( c ). Vida útil del donante (puntos naranjas) o del aceptor (puntos rojos) y la eficiencia de FRET (puntos azules) en diferentes concentraciones de QD compuestos ( d )

Las curvas de desintegración de TRPL de las diferentes películas delgadas de concentración de QD compuesto se muestran en la Fig. S2. La Tabla S4 enumera las amplitudes, los componentes de la vida útil y la vida útil ponderada en amplitud para los QD compuestos. Sus eficiencias FRET se calculan y se muestran en la Tabla S5. Además, los cambios en la vida útil y la eficiencia de FRET con la concentración se muestran claramente en la Fig. 6d. En detalle, la eficiencia FRET exhibe una tendencia decreciente del 22 al 9% con el aumento de la concentración. Mientras tanto, el tiempo de vida registrado en la longitud de onda de emisión de los O-QD del donante aumenta con el aumento de la concentración (puntos naranjas en la Fig. 6d). Esto es similar a la vida útil dependiente de la concentración de las muestras de O-QD puras que se muestran en la Fig. 3. Sugiere la existencia del efecto combinado de FRET y autoabsorción (como las QD monocromáticas). Con el aumento de la concentración, la autoabsorción mejorada conduce al incremento de τ _DA (el tiempo de vida de la fluorescencia del donante en presencia del aceptor, como se muestra en la Fig. 6d, puntos naranjas), lo que sugiere la inhibición del FRET entre QD compuestos (puntos azules en la Fig. 6d). En la longitud de onda de emisión del aceptor R-QD, la eficiencia de FRET reducida da como resultado un incremento más pequeño de la vida útil en alta concentración (puntos rojos en la Fig. 6d). Como resultado, los QD compuestos muestran tiempos de vida dependientes de la concentración relativamente débiles y podrían mantener un QE estable, lo que beneficia la aplicación de QD compuestos en aplicaciones LED.

Para estudiar el efecto de compensación de luz de los QD compuestos en aplicaciones de iluminación, los WLED se fabrican mezclando LuAG:Ce fósforo y O-QD, R-QD o QD compuestos (R:O =1:10) y empaquetar la mezcla encima de chips de GaN emisores de 450 nm. Bajo una corriente de excitación de 40 mA, los espectros de excitación-luminiscencia (EL) de los WLED preparados se ilustran en la Fig. 7. La temperatura de color correlacionada (CCT) y las coordenadas de color de los WLED se muestran en la Fig. S3 y la Tabla S6. Los cuatro WLED tienen casi el mismo espectro en la región de luz azul-verde pero diferente en la región de luz naranja-roja. Además, el WLED basado en LuAG:Ce (solo) muestra el índice de reproducción cromática (CRI) más bajo de 48,8 debido a la pérdida de la región de luz roja-naranja. Por el contrario, el WLED basado en QD compuesto exhibe un espectro más amplio y plano en la región de luz roja-naranja y el CRI más alto de 92,1. En comparación con los QD compuestos, los WLED basados ​​en LuAG:Ce (solo) y R-QD presentan una brecha de luz obvia en la región de luz naranja y muestran grandes diferencias en las coordenadas CCT y de color. Aunque el WLED basado en O-QD tiene CCT y coordenadas de color similares con el WLED basado en QD compuesto, carece de luz roja y, por lo tanto, presenta un CRI mucho más bajo que el de los QD compuestos. Indica la capacidad prometedora de los QD compuestos para mejorar la calidad del color de WLED.

Espectros EL de WLED empaquetados con LuAG verde:solo fósforo Ce ( a ), LuAG:Ce + R-QDs ( b ), LuAG:Ce + O-QDs ( c ) y LuAG:Ce + composite-QDs (d)

Para evaluar más a fondo los resultados experimentales, se calculó la eficacia luminosa de la radiación (LER) de acuerdo con la siguiente fórmula:

donde 683 lm / W _optar es un factor de normalización. W _optar , V ( λ ) y P ( λ ) son la potencia óptica, la función de sensibilidad del ojo humano y la densidad de potencia espectral de la fuente de luz, respectivamente [35, 36].

Los resultados de LER se resumen en la Tabla S6 y son similares a los de informes anteriores [37, 38, 39]. De acuerdo con los resultados, el LER del WLED basado en QD compuesto (muestra d) es mayor que el del R-QD (muestra c) y menor que el de O-QD (muestra b) debido a que los ojos son más sensibles a la luz naranja que a la luz roja.