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用于微纳米级封装的量子点荧光微球结构

导读: 胶体量子点具有发光光普连续可调,发射光色纯度高,且具有较高的转换效率,作为下一代照明与显示技术的核心材料已经取得了比较成熟的制备技术。

胶体量子点具有发光光普连续可调,发射光色纯度高,且具有较高的转换效率,作为下一代照明与显示技术的核心材料已经取得了比较成熟的制备技术。量子点通常不能直接使用,因为量子点比较脆弱,自身由于纳米尺寸表面能较大,会发生团簇,造成荧光猝灭,容易发生能量转移;同时胶质层容易被侵蚀,留下缺陷能级,形成非辐射跃迁通道,造成荧光衰退。常规的物理化学环境都会让量子点发生荧光猝灭。因此,如何使用量子点是目前一个比较热门和关键的问题。

在实际的应用过程中,往往通过以下两种方式实现量子点材料的封装:

1、将量子点分散到聚合物基体中,获得荧光复合材料,形成简单的“量子点-载体材料(PMMA)”结构(详见参考文献1),使用远程封装方式,但是由于量子点会因为和表面配体和介质层不兼容,在PMMA中慢慢团聚,使量子点荧光发光波长红移,荧光效率衰退明显;载体材料(PMMA)阻水阻氧能力较差,水氧小分子的渗透也容易对量子点表面收到侵蚀,造成荧光衰退。

2、使用表面活性剂对其表面进行有机修饰,参考文献2,为了阻止量子点的团聚,对量子点表面进行转氨基化处理,该方法可以使量子点和周围的介质层材料相容性增强,有效减少团聚和水氧的侵蚀。但是,该方法容易对量子点表面配体造成破坏,影响量子点的初始荧光效率。

对于量子点和硅胶直接复合方式封装,由于量子点外层的胶质配体和硅胶不相容。尤其是某些表面配体中含有硫(S)元素的时候,会和硅胶中的铂(Pt)催化剂作用,从而会影响硅胶的固化,导致其无法固化。而使用非固化硅胶,则往往由于表面配体和硅胶的兼容性问题,出现团簇。对于量子点聚合物材料,其荧光特性受到引发剂、聚合物活性位点和高分子化学聚合反应影响,使得量子点聚合物荧光衰退或猝灭。对于量子点表面直接处理,如生长二氧化硅、表面氨基化修饰等,主要由于表面配体的置换造成了量子点的荧光猝灭,同时由于水分子氧气等小分子的渗透,侵蚀量子点表面,产生发光缺陷,带来荧光效率衰退。

因此,在器件中使用高发光效率和高稳定性量子点或量子点聚合物,必须解决以下几个问题:

1、量子点材料,不能破坏其自身的发光效率。

2、量子点载体环境应和量子点表面相兼容,防止量子点自身团聚、配体脱落。

3、设置阻挡层,阻止小分子(水汽和氧气)对量子点表面的侵蚀。

天津市中环量子科技有限公司长期致力于量子点材料的研发、生产与销售,公司于2015年12月提出了一种封装用的量子点荧光微球结构,该结构包括荧光量子点、具有纳米栅格结构的介孔颗粒材料和阻挡层,如图1所示,其中荧光量子点分布在介孔颗粒材料中,阻挡层包覆在介孔颗粒材料的外表面。通过化学、非化学手段,使得荧光量子点进入介孔颗粒材料,在非极性溶剂下,没有破坏胶质荧光量子点的表面结构,保持了荧光量子点的荧光效率。该结构可以有效的减缓量子点的团聚,表面包覆的阻挡层,可以阻止水氧小分子的侵蚀,提高量子点荧光微球的相容性和稳定性。同年,公司也向美国专利局提交了该项专利申请,并于2017年2月获得授权,详见图2,量子点荧光微球为公司自主知识产权产品。

图1、量子点荧光微球结构示意图

图2、专利授权书

参考文献:

1.J. Eun-Pyo, S. Woo-Seuk, L. Ki-Heon, Y.Heesun, Nanotechnology2013,24, 045607 (9 pp.).

2.E. Jang, S. Jun, H. Jang, J. Llim, B. Kim, Y. Kim, Advanced Materials 2010, 22, 3076.

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