醇溶性量子点的制备及其发光应用研究

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量子点是一类新型纳米发光材料,具有几到几十纳米的粒径尺寸,由于显著的量子限域效应使量子点具有了独特的光学、电学和化学特性,已经在生物、光电转换、照明和显示等领域获得广泛应用。目前,基于光致发光原理的量子点液晶背光源技术(QLCD)已经应用于商业化的液晶电视产品中。同时,基于电致发光原理的量子点发光二极管技术(QLED)也在快速发展,有望成为继有机电致发光(OLED)技术之后的新一代自发光显示技术。除此之外,具有较宽发光峰的铜铟硫量子点在高显色指数照明领域也拥有巨大的应用潜力。经过近三十年的发展,研究者们已经能够在实验室中批量合成具有可控发光性质和高荧光量子产率的“近乎完美”的量子点材料。但是,在实际应用过程中,诸多问题依然存在并制约着量子点技术的发展和产业化,例如现有量子点材料的非极性有机溶剂分散性导致其在溶液加工过程中易产生对人体和环境有害的有机废气废液,同时易在加工时被有机溶剂溶解和破坏,限制了器件的加工工艺;另一方面,量子点表面长链分子配体不仅影响了量子点在电致发光器件中的电荷传输效率,同时也导致量子点与聚合物基质的界面相容性问题,使量子点光致发光复合材料的光转换效率难以提高。由于量子点极大的比表面积和强烈的表面效应,对量子点表面进行配体修饰和改性能够显著影响量子点的溶液分散性和加工性能及其与周围介质发生能量或电荷转移的性能。因此,通过配体交换等手段对量子点表面进行修饰和改性是解决上述问题的重要手段之一。相比于已被广泛研究的油溶性量子点和水溶性量子点,本论文系统研究的醇溶性量子点材料因其独特的溶解特性和表面极性基团,具有可“绿色”加工、抗有机溶剂破坏、电学带隙窄、表面反应活性位点多等特性,是实现高性能、高效率光电器件的理想材料之一。然而,目前针对醇溶性量子点的制备、性质表征和应用方面的研究相对滞后,无法提供获得高质量醇溶性量子点的方法手段和理论支持,阻碍了醇溶性量子点在光电器件方面研究的进一步发展。针对上述问题,本论文围绕醇溶性量子点的合成制备、性质表征及其在电致发光和光致发光器件中的应用展开了研究,发展了两种配体交换策略,获得了高荧光量子产率的醇溶性量子点,并对其结构性质进行了详细表征。最后,制备了基于醇溶性量子点的电致发光器件和复合光转换材料,证明了醇溶性量子点在电致发光器件和光致发光应用中的加工优势和光电性能优势。本研究工作的主要创新点在于:(1)从合成制备、结构性能表征和器件应用等方面对醇溶性量子点进行了系统性研究,为量子点表面修饰、量子点电致发光器件以及量子点复合材料等方面的研究提供了一种新的途径和思路;(2)提出了原位配体交换和热辅助配体交换策略,能够高效、快速地制备可以在乙醇等极性有机溶剂中稳定分散的醇溶性量子点材料,且荧光量子产率超过70%,为醇溶性量子点的研究和应用提供了可行的材料合成方案;(3)将醇溶性铜铟硫量子点和硒化镉量子点应用于电致发光器件,显著提高了器件性能。其中,基于铜铟硫量子点的非镉电致发光器件获得了峰值亮度为8,735cd·m-2,开启电压(Von)为~3.75 V,,最大电流效率为9.43 cd·A-1,最大流明效率为6.09 lm·W-1的电致发光器件,最大外量子效率达到了3.22%,为当时报道亮度和效率最高的非镉电致发光器件。同时还利用醇溶性量子点独特的溶解性制备了双色多发光层电致发光器件,进一步证明了醇溶性量子点所具有的加工优势。(4)利用醇溶性量子点与醇溶性聚合物或硅氧烷制备出具有高浓度、高透明性的量子点复合膜材料,并对其荧光性能进行了研究,为量子点复合材料研究开拓了新的研究领域,提供了思路和参考。
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