YAG∶Ce荧光薄膜发光效率高、热稳定性好、散热快,在高功率高亮度白光照明,尤其是激光驱动白光照明(Laser-driven white lighting)领域具有广阔的应用前景。本文综述了近年来国内外YAG∶Ce多晶薄膜、单晶薄膜以及复合薄膜的制备技术及其性能特点,并展望了其在高性能白光LED和高功率激光驱动白光照明领域的应用前景。

现代科学既高度分化又高度融合,多学科交叉极大地推动了科学的进步,不断孕育出新的研究范式和变革性科技。本文基于作者自身的研究经历,以钙钛矿发光器件的构筑和出光结构为切入点,阐述多学科深度交叉融合在钙钛矿发光的发展中所起的推动作用。

近二十年来,光功能纳米材料因其具有优越的光热转化与光敏化能力而被广泛研究用于肿瘤光学治疗,并展现出了良好的临床转化潜力。本文结合作者自身的科研经历,展望了基于光功能纳米材料的肿瘤光学治疗在其未来的临床转化过程中所面临的挑战与机遇,倡导相关科学家直面制约肿瘤光学治疗临床转化的若干问题,共同推进肿瘤光学治疗在临床中的应用,早日造福广大肿瘤患者。

采用熔融淬冷法制备了两种浓度的Pr3+掺杂GeSe2-Ga2Se3-CsI(GGC)硫卤玻璃。在2.0 μm激光激励下,比较了玻璃片(2 mm)和玻璃柱(6 mm)的荧光发射光谱。用Judd-Ofelt理论计算分析了Pr3+掺杂Ge-Ga-Se-CsI硫卤玻璃的强度参数Ωi(i=2,4,6)和辐射寿命τrad等光谱参数。通过拟合衰变曲线,测得了玻璃的荧光寿命值(0.5% Pr3+: 3.08 ms)。所制备的光纤具备双包层结构,通过截断法得到光纤在7.6 μm处的最低损耗为2.27 dB/cm。

通过水热法制备了碱金属离子(Li+、Na+、K+)共掺的MgSc2O4∶Er3+/Yb3+ 纳米晶,获得类球状纳米晶的平均尺寸约为35 nm。通过改变碱金属离子的种类和数量,获得了增强上转换发光。发现K+离子共掺MgSc2O4∶Er3+/Yb3+纳米晶发光强度最佳,并且随着K+掺杂量的不断增加,纳米晶的发射强度逐渐增强,这是由于K+离子引入了最大的晶体场不对称性。随后,通过调控Yb3+和Er3+的掺杂浓度,发现发光强度最强样品为K+离子共掺MgSc2O4∶1%Er3+/5%Yb3+纳米晶。研究了在980 nm激光激发下,MgSc2O4纳米晶中Yb3+与Er3+离子之间的能量传递以及上转换发光机制。

采用溶剂热法成功制备了Nd3+敏化的掺杂Ca2+的NaYF4∶Yb/Tm/Ca@NaGdF4∶Nd/Yb核-壳上转换纳米粒子。 针对Tm3+多光子过程中产生的蓝色及紫外上转换发光,研究了敏化剂Nd3+、Yb3+的含量以及激发功率等关键因素对荧光性能的影响,并用介孔二氧化硅(mSiO2)对其表面进行修饰,得到具有良好亲水性的上转换纳米粒子,通过TEM、XRD、FT-IR和荧光光谱对其形貌、结构和荧光性能进行表征。结果表明,制备的纳米粒子为纯六角相,表面均匀地包覆了一层mSiO2,在808 nm近红外光激发下,壳层中Nd3+和Yb3+的摩尔分数分别为50%和10%时表现出强烈的上转换蓝光(1D2→3F4,1G4→3H6)和紫外光(1I6→3F4,1D2→3H6),在光动力疗法和荧光成像方面具有潜在的应用价值。

为优化反应过程对合成钙钛矿量子点及其薄膜质量的影响,本文采用相较于碳酸铯溶解性更好的醋酸铯为原料合成前驱体,并对不同条件下合成的量子点及制备的薄膜进行一系列特性表征。在不同反应温度及反应时间条件下采用热注入法合成CsPbBr3全无机钙钛矿量子点,在不同旋涂速度及退火时间条件下制备量子点薄膜。对制得的量子点进行X射线衍射、吸收光谱、荧光寿命、透射电子显微镜测试,对量子点薄膜进行光致发光特性表征。发现采用溶解性更好的醋酸铯为原料合成前驱体制备CsPbBr3全无机钙钛矿量子点,在反应温度为180 ℃、反应时间为5 s时,量子点尺寸最小,为8 nm,荧光寿命最长,为8 ns,晶体质量和吸收特性更好; 旋涂速度为3 000 r/min、退火时间为10 min条件下制得的CsPbBr3量子点薄膜光致发光强度最强、半峰宽最小。相较于相同条件下以碳酸铯为原料合成的量子点材料,以醋酸铯为原料合成的量子点溶液及薄膜各项性能均有提升。

全无机钙钛矿纳米晶由于具有高量子产率、窄线宽和可见光全波段发光特性,在功能光学材料和光学器件等领域具有广阔的应用前景。本文在室温下通过液相沉淀法制备CsPbBr3钙钛矿纳米晶,研究了溶剂密度、极性和粘度对钙钛矿纳米晶的反应过程、晶体结构、微观形貌和光学性能的影响。结果表明,通过改变反应溶剂的密度可以实现CsPbBr3钙钛矿纳米晶在反应器上部、下部以及整个液相中的生长。溶剂的极性越大,制备的CsPbBr3钙钛矿纳米晶的结晶度越低、发光强度和稳定性越低。过高的溶剂粘度不利于高质量CsPbBr3钙钛矿纳米晶的制备。本文提出的多种溶剂下快速制备CsPbBr3纳米晶的方法有望进一步促进其在太阳能电池、激光器、光探测器以及发光二极管等领域的应用。

设计并合成了一种以嘧啶为电子受体、咔唑类衍生物为电子给体的不对称给体-受体-给体(D-A-D)型双极性化合物,即1-(2-(3-(9H-咔唑-9-基)苯基)嘧啶-5-基)-1,3-二氢-3,3-二甲基茚并［2,1-b］咔唑(DMIC-PmPCP),并对其结构进行了核磁表征。化合物DMIC-PmPCP的光电性能测试结果显示其具有较高的三线态能级(2.82 eV)和较平衡的载流子传输性能。以DMIC-PmPCP为主体材料、二(2-甲基-6-苯基吡啶)(2-(［1,1'-联苯］-3-基)吡啶)合铱(即GD-01)为掺杂材料制作的绿光磷光器件色坐标CIE(0.33,0.62),最大电流效率为70.16 cd·A-1。在发光亮度3 000 cd·m-2条件下,器件的电流效率为55.08 cd·A-1,相比使用常规主体材料1,3-二氢-3,3-二甲基-1-(3-(4,6-二苯基-1,3,5-三嗪-2-基)苯基)茚［2,1-b］咔唑(即DMIC-TRZ)制作的器件,电流效率提高了13.6%。以DMIC-PmPCP为主体材料、Ir(PPy)3为掺杂发光材料的器件也获得了较好的电致发光性能,在3 000 cd·m-2条件下电流效率达到52.33 cd·A-1。实验结果表明,主体材料具有更好的载流子平衡性对于提高器件性能具有很大帮助。

从节能、便携、微型化的角度看,在无电源供给的情况下能够自驱动的光电探测器更能满足现代电子设备的需求。本文采用原位聚合的方法制备了一种基于p型硒纳米花(Se-f)和p型聚苯胺(PANI)的新型异质结结构。Se纳米花结构的高表面积可以吸收更多的光能量,有利于空穴电子对的有效分离。PANI直接沉积于Se-f表面形成高质量的异质结,促进产生内建电场。Se-f/PANI器件在300~700 nm波长范围内均有良好的光电性能和自驱动特性,特别是在无偏压610 nm光照下具有最高的响应度(72.9 mA·W-1)、良好的探测度(1.98×1012 Jones)以及快速的响应速度(上升时间8.6 μs,下降时间3.24 ms)。这将为今后开发高性能自驱动有机/无机光电器件提供一个好的选择。

研究了在倒置白光有机电致发光器件(Organic light-emitting diodes,OLEDs)ITO/ZnO/PEI/EML/TAPC/MoO3/Al中引入Polyethylenimine(PEI)修饰层对器件性能的影响。研究发现,PEI修饰层的引入可以有效降低ZnO电子注入层的功函数,调控器件的电子注入,改善空穴和电子注入平衡,钝化ZnO表面缺陷态,减少激子猝灭。当PEI浓度为1.0 mg/mL时,倒置白光OLED器件性能达到最佳,其亮度和效率分别为11 720 cd·m-2和16.0 cd·A-1。本研究为后期倒置结构高性能OLED器件的研发奠定了一定的基础。

在二能级系统近似下,对CuInS2/ZnS量子点光纤的发光性质进行理论计算,得到在不同量子点荧光寿命、斯托克斯频移和吸收-发射截面时,量子点发光沿光纤的传输情况。结果表明,当3个参数一定时,量子点光纤的发光强度随着光纤长度的增加而增加,但最后都趋于饱和或有所下降。当光纤长度一定时,荧光寿命、斯托克斯频移和吸收-发射截面每变化原来数值的1倍,光纤发光的相对强度分别改变7.1,10.52和2.8,因此斯托克斯频移对光纤发光强度的影响最大,其次为荧光寿命,影响最小的是吸收-发射截面。但是对光谱峰值位置影响最大的是吸收-发射截面,在 80 cm光纤中,截面每增加1倍,光谱红移5.36 nm。理论计算的发光强度随光纤长度的变化趋势符合文献中的实验数据。本文为量子点光纤中掺杂材料的选择提供了一种实用的方法。

采用高温真空烧结技术制备了0.5% Ce∶Y3Al5O12(简称Ce∶YAG)透明荧光陶瓷,在透射模式下分别采用大功率蓝光发光二极管(LED)芯片(3.2 V×0.3 A)激发和LD蓝光光源(0.8 W,1.6 W)激发,系统研究了陶瓷厚度(0.3~2.3 mm)和表面粗糙度(322.86 nm,9.79 nm)等对照明原型器件的色温、显色指数和光电转换效率等发光性能的影响。结果表明,陶瓷表面有一定粗糙度可使原型器件的发光性能整体提高,其中用粗糙度为322.86 nm的 Ce∶YAG透明陶瓷组装的原型器件分别获得了93.6 lm/W(蓝光LED激发)和178.5 lm/W(蓝光LD激发)的高光电转换效率。研究表明,通过调节Ce∶YAG透明陶瓷的厚度和表面状态,可有效提升高功率密度固态照明器件的发光性能。

在大小为5.80 mm×2.55 mm×0.50 mm的8芯陶瓷封装基板上分别共晶了8颗和4颗1.125 mm×1.125 mm(45 mil×45 mil)的倒装蓝光LED芯片,在4.15 mm×2.55 mm×0.50 mm的6芯基板上共晶了6颗和3颗同规格芯片。在部分样品芯片侧边涂围了高反射白墙胶,研究了涂覆白墙胶对器件光功率的影响。在部分涂围了白墙胶样品的芯片顶面涂覆荧光粉硅胶混合层制备了白光器件,研究了共晶芯片数及共晶位置对蓝光/白光器件光功率、光通量和色温的影响。结果表明,共晶芯片的数量(额定功率)与陶瓷基板面积的匹配程度、陶瓷基板热电分离金属层与芯片共晶位置的匹配度会显著影响陶瓷封装LED的发光性能。

芯片漏电会对LED灯珠稳定性和寿命造成很大影响,为此本文对LED样品的漏电失效机理进行了研究。在微光显微镜观测下,样品的芯片正电极位置存在漏电异常。利用氩离子精密刻蚀系统对样品进行截面制样,并采用扫描电镜进行观察,分析可能导致漏电的原因。SEM下观测到漏电样品芯片正极出现空洞,且空洞对应的外延层出现较明显的裂缝。分析认为,在焊接时电极产生空洞,在后续高温回流焊、封装和使用过程中压力和应力集中在裂缝处,使GaN外延层受损导致漏电。研究结果为LED芯片漏电检测手段、机理分析提供了良好的参考方案,并为解决芯片裂缝和空洞问题提供了理论参考方向。