近日，來自南昌航空大學(xué)的Li Feng教授課題組通過溶劑熱法合成了Ag-In-Ga-S四元合金量子點(diǎn)，通過雙高斯模型對其光譜和視覺、非視覺效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，通過對光譜功率分布(SPD)對褪黑素抑制指數(shù)(MSI)影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬對比，表明基于AIGS量子點(diǎn)的QD-WLED具備良好視覺性能的同時(shí)，在健康照明方面也具備潛在的廣泛應(yīng)用前景。

 

論文鏈接：

 

https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2021.117903
 

在這項(xiàng)工作中，研究人員通過溶劑熱法合成了AIGS/ZnS量子點(diǎn)，由提供的HRTEM圖像(圖1)和尺寸統(tǒng)計(jì)可以看到包覆前后的量子點(diǎn)尺寸分別為2.48 nm和3.76 nm，具有良好的分散性和晶體結(jié)構(gòu)。通過改變前驅(qū)體中Ag/In比例實(shí)現(xiàn)了光譜從550~670 nm的調(diào)諧(圖2)，這為后續(xù)白光LED的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。其他在量子點(diǎn)研究中常見的結(jié)構(gòu)以及熒光壽命表征表明所制備的AIGS/ZnS量子點(diǎn)具有較長的熒光壽命(31.35 ns)以及良好的四方晶系結(jié)構(gòu)。
 

圖1. (e) AIGS和(f) AIGS/ZnS的TEM圖像以及尺寸分布統(tǒng)計(jì)
 

圖2. 不同Ag/In比例AIGS/ZnS量子點(diǎn)的(a)發(fā)射光譜和(b)紫外-可見吸收光譜

 

這篇文章的工作主要集中在白光LED器件的構(gòu)筑以及相關(guān)的非視覺效應(yīng)研究。人眼視網(wǎng)膜上有三種類型的光感受器細(xì)胞：錐細(xì)胞、桿狀細(xì)胞和ipRGCs，分別負(fù)責(zé)顏色辨別、光強(qiáng)度感知和非視覺生物效應(yīng)，對應(yīng)的響應(yīng)曲線、光敏/暗敏作用曲線和晝夜光譜敏感性函數(shù)如圖3(a)所示。褪黑素(Melatonin，MT)是由腦松果體分泌的激素之一，研究者們推導(dǎo)擬合出褪黑素抑制的光譜作用譜如圖3(b)所示。光線對褪黑激素的分泌有明顯的抑制作用。褪黑激素在人體中的濃度在白天維持在一個(gè)相對較低的水平，在夜間無光時(shí)開始緩慢上升，在午夜達(dá)到最高水平。褪黑素抑制指數(shù)(MSI)也被定義為評估光源對褪黑激素分泌和抑制的影響，藉由研究光源對褪黑激素的抑制作用從而表征光源對人體的晝夜節(jié)律效應(yīng)。
 

圖3. 光敏作用曲線、暗敏作用曲線和晝夜光譜作用函數(shù)(左)；褪黑激素抑制作用譜和標(biāo)準(zhǔn)光源D65的歸一化譜(右)

 

采用雙高斯模型計(jì)算了由黃光發(fā)射AIGS/ZnS量子點(diǎn)與藍(lán)光芯片集成而得的QD-LEDs的光譜，圖4是相關(guān)的結(jié)果，(a)圖是器件的電致發(fā)光光譜，(b)(c)是器件指數(shù)隨著波長的變化趨勢，(d)圖是器件光色在CIE色譜圖上的坐標(biāo)。結(jié)果表明不同發(fā)射中心波長的黃色量子點(diǎn)集成的器件不僅對器件光學(xué)參數(shù)會(huì)有影響，對褪黑素的抑制水平也有明顯的作用，短波長黃光的抑制水平高于長波長波段。

 

單獨(dú)使用黃光發(fā)射AIGS量子點(diǎn)模擬的QD-LED器件顯色指數(shù)不佳，同時(shí)從上面的CIE色品圖看到發(fā)射并非落在白光區(qū)域，為此研究者將藍(lán)光芯片與綠色發(fā)射的AIGS量子點(diǎn)和不同發(fā)射的紅光AIGS量子點(diǎn)集成得到的相應(yīng)結(jié)果如圖5所示，可以看到其他的視覺相關(guān)的光學(xué)性能指數(shù)都有所提升，而我們關(guān)注的褪黑素抑制指數(shù)MSI則和前面的結(jié)果相反，隨著紅光成分的紅移MSI也逐漸上升。

 

所以可以得出模擬的結(jié)論，通過改變AIGS量子點(diǎn)的組分，不僅僅能改變相關(guān)的發(fā)射光譜和相應(yīng)的器件光學(xué)指數(shù)，同時(shí)也能對MSI做出一定的調(diào)整。

圖4. (a)基于不同λY的黃色AIGS/ZnS量子點(diǎn)的QLEDs模擬光譜。(b) CRI和CCT模擬結(jié)果；c) LER和MSI和(d)CIE色坐標(biāo)。
 

圖5. (a)基于綠色AIGS/ZnS量子點(diǎn)和不同λR的紅色AIGS/ZnS量子點(diǎn)的QLEDs模擬光譜。(b) CRI和CCT模擬結(jié)果；c) LER和MSI和(d)CIE色坐標(biāo)。

 

基于得到的模擬結(jié)果，作者將550 nm和670 nm發(fā)射的AIGS/ZnS量子點(diǎn)與藍(lán)光芯片集成的QD-WLED進(jìn)行了驗(yàn)證性能測試，得到的結(jié)果如下圖6所示，可以看到，基于核殼結(jié)構(gòu)AIGS/ZnS的WLED器件不管是在視覺性能或者是非視覺性能的指標(biāo)上都達(dá)到了讓人滿意的水平，顯色指數(shù)Ra超過90，發(fā)光效率也可與商用LED媲美，褪黑素抑制水平也較高，且由于光譜功率分布隨著驅(qū)動(dòng)電流相對穩(wěn)定的緣故，MSI指數(shù)也十分平穩(wěn)，表明其在非視覺生物效應(yīng)方面表現(xiàn)也十分優(yōu)異。
 

圖6. (a)基于550 nm發(fā)射和670 nm發(fā)射的AIGS/ZnS量子點(diǎn)(由藍(lán)色發(fā)射芯片激發(fā))的電致發(fā)光(EL)光譜的變化;(b) CRI和CCT隨驅(qū)動(dòng)電流增加的變化;(c) LER和MSI隨驅(qū)動(dòng)電流增加的變化;(d)相應(yīng)的色坐標(biāo)。

 

綜上所述，作者合成了發(fā)射可調(diào)的高效率AIGS/ZnS核/殼量子點(diǎn)用于制造具有高視覺性能和滿足非視覺性能的白光LED，以紅色和綠色發(fā)光的AIGS/ZnS量子點(diǎn)為色轉(zhuǎn)換層，得到了高顯色指數(shù)、高發(fā)光效率的器件，其褪黑素抑制指數(shù)MSI為0.7866，適用于需要集中注意力的工作場景。結(jié)合對量子點(diǎn)深入的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)研究，寬FWHMs的AIGS/ZnS量子點(diǎn)不含重金屬元素更適合制作視覺性能高、MSI值可調(diào)的健康環(huán)保白光光源，在照明領(lǐng)域有不俗的潛力與廣闊的前景。