Sintesis Hijau InP/ZnS Core/Shell Quantum Dots untuk Aplikasi di Dioda Pemancar Cahaya Bebas Logam Berat

Abstrak

Quantum dot light-emitting diodes (QD-LED) telah dianggap sebagai teknologi tampilan potensial dengan karakterisasi kemurnian warna yang tinggi, fleksibilitas, transparansi, dan efisiensi biaya. Untuk aplikasi praktis, pengembangan QD-LED bebas logam berat dari bahan ramah lingkungan adalah isu yang paling penting untuk mengurangi dampak terhadap kesehatan manusia dan pencemaran lingkungan. Dalam karya ini, QD inti/kulit InP/ZnS bebas logam berat dengan fluoresensi berbeda disiapkan dengan metode sintesis hijau dengan prekursor berbiaya rendah, aman, dan ramah lingkungan. QD inti/kulit InP/ZnS dengan puncak fluoresensi maksimum pada ~ 530 nm, hasil kuantum fluoresensi superior 60,1%, dan lebar penuh pada setengah maksimum 55 nm diterapkan sebagai lapisan emisi untuk membuat LED-QD berlapis-lapis. InP/ZnS core/shell QD-LED berlapis-lapis menunjukkan voltase penyalaan pada ~ 5 V, luminansi tertinggi (160 cd/m² ) pada 12 V, dan efisiensi kuantum eksternal sebesar 0,223% pada 6,7 V. Secara keseluruhan, QD-LED inti/kulit InP/ZnS berlapis-lapis menunjukkan potensi untuk menjadi QD-LED bebas logam berat untuk aplikasi tampilan di masa mendatang.

Latar Belakang

Dengan sifat fisik dan kimia yang unik, titik kuantum (QDs) telah menarik minat besar dalam aplikasi seperti laser, pencitraan biomedis, sensor, dan dioda pemancar cahaya (LED) [1,2,3,4,5,6,7, 8,9]. QD telah diselidiki secara aktif untuk aplikasi LED karena sifatnya yang menarik dari celah pita ukuran yang dapat disetel, fotostabilitas yang baik, efisiensi fotoluminesensi yang unggul, dan kompatibilitas dengan metode pemrosesan solusi. QD-LED telah dianggap sebagai teknologi tampilan potensial dengan karakterisasi kemurnian warna yang tinggi, fleksibilitas, transparansi, dan efisiensi biaya [10,11,12,13,14,15,16]. Saat ini, sebagian besar QD-LED telah diproduksi oleh QD berbasis kadmium, yang terbukti relatif mudah disintesis dengan sifat optik berkualitas tinggi [17]. Namun, sifat logam berat dari QD berbasis kadmium telah menimbulkan banyak kekhawatiran tentang karsinogenisitas dan risiko kesehatan kronis lainnya serta bahaya pembuangan. Penerimaan peraturan dari setiap komposisi logam berat di QD akan sangat menghambat komersialisasi akhir produk QD-LED. Untuk aplikasi praktis, pengembangan QD-LED bebas logam berat adalah masalah terpenting untuk mengurangi dampak terhadap kesehatan manusia dan pencemaran lingkungan.

Sampai saat ini, untuk menghilangkan masalah kesehatan dan lingkungan, banyak upaya telah difokuskan pada sintesis QD bebas kadmium untuk aplikasi LED [18,19,20,21,22,23,24]. Dalam studi terbaru, emisi merah QD inti/kulit ZnCuInS/ZnS dicampur dengan emisi biru-hijau poli(N ,T -bis(4-butilfenil)-N ,T -bis(fenil)benzidin) telah diterapkan untuk mendapatkan LED elektroluminesensi putih [25]. QD inti/kulit/kulit InP/GaP/ZnS yang sangat stabil dan bercahaya dengan hasil kuantum maksimum 85% telah digunakan untuk membuat LED-QD putih dengan efisiensi bercahaya 54,71 lm/W, Ra 80,56, dan suhu warna berkorelasi 7864 K pada koordinat warna (0,3034, 0,2881) [26]. QD-LED putih berdasarkan QD inti/kulit InP/ZnS berkualitas tinggi dengan pendaran yang dapat disetel pada seluruh spektrum yang terlihat telah ditunjukkan dengan indeks rendering warna yang tinggi sebesar 91 [27]. Di antara bahan-bahan ini, indium fosfida (celah pita ~ 1,35 eV) dengan struktur inti/kulit adalah kandidat potensial sebagai bahan alternatif yang ideal untuk memberikan rentang panjang gelombang emisi yang serupa tanpa toksisitas intrinsik dibandingkan dengan QD berbasis kadmium. Banyak penelitian telah melaporkan pendekatan sintetik seperti metode injeksi panas, solvothermal, dan pemanasan untuk mensintesis QD inti/kulit InP/ZnS dengan efisiensi kuantum yang tinggi [28,29,30]. Beberapa prekursor fosfor termasuk tris(trimethylsilyl)phosphine, triarylsilylphosphines, phosphine, P_4, dan PCl₃ masing-masing telah digunakan untuk sintesis QD inti/kulit InP/ZnS [31,32,33,34,35,36,37,38]. Namun, prekursor fosfor ini menunjukkan beberapa kelemahan seperti mahal, mudah terbakar, dan beracun telah menghambat produksi QD inti/kulit InP/ZnS lebih lanjut. Oleh karena itu, sintesis hijau QD inti/kulit InP/ZnS dengan prekursor yang murah, aman, dan ramah lingkungan masih menjadi tantangan di bidang ilmu material. Selain itu, penggunaan QD inti/kulit InP/ZnS untuk membuat LED-QD yang sangat efisien juga merupakan masalah penting untuk aplikasi praktik dalam teknologi tampilan.

Di sini, QD inti/kulit InP/ZnS yang ramah lingkungan berhasil disintesis oleh sintesis hijau solvothermal dengan prekursor yang aman dan berbiaya rendah termasuk InI₃ , ZnCl₂ , (DMA)₃ P, seng stearat, dan belerang. Sifat struktural dan optik QD inti/kulit InP/ZnS dicirikan oleh mikroskop elektron transmisi (TEM), difraksi sinar-X serbuk (XRD), dan spektrofotometer ultraviolet-tampak (UV-Vis). Stabilitas termal dari fluoresensi QD inti/kulit InP/ZnS diselidiki untuk menemukan suhu proses yang optimal untuk fabrikasi lebih lanjut dari inti/kulit QD-LED InP/ZnS berlapis-lapis. Selain itu, kinerja multilayered InP/ZnS core/shell QD-LED dieksplorasi untuk menunjukkan kemungkinan aplikasi praktis seperti display dalam waktu dekat.

Metode

Bahan kimia

Indium (III) iodida (InI₃ ), seng (II) klorida (ZnCl₂ ), tris(dimetilamino)fosfin (DMA)₃ P, dan seng stearat dibeli dari Sigma-Aldrich. Oleylamine dibeli dari Acros Organics. Trioctylphosphine (TOP) dan bubuk belerang dibeli dari Strem Chemicals. Octadecene (ODE) dibeli dari Alfa Aesar.

Persiapan InP/ZnS Core/Shell QD

QD inti/kulit InP/ZnS disintesis melalui sintesis hijau solvothermal menurut penelitian sebelumnya dengan beberapa modifikasi [39]. Pertama, 224 mg InI₃ , 300 mg ZnCl₂ , dan 5,0 mL oleilamin ditambahkan ke dalam labu alas bulat leher tiga. Reaktan diaduk dan dihilangkan gasnya pada 120 °C selama 60 menit dan kemudian dipanaskan hingga 180 °C di bawah atmosfer argon. Pada 180 °C, 0,45 mL (DMA)₃ P dengan cepat disuntikkan ke dalam reaktan di atas. Setelah injeksi prekursor fosfor, QD InP terus ditumbuhkan selama 20 menit. Kedua, untuk pertumbuhan cangkang ZnS ke inti InP, 1,5 g seng stearat dan 6 mL ODE dicampur sebagai prekursor seng. Selain itu, 0,72 g belerang dan 10 mL TOP dicampur sebagai prekursor belerang. Untuk mensintesis QD inti/kulit InP/ZnS, 1 mL prekursor belerang diinjeksikan secara perlahan ke dalam larutan InP QDs pada 180 °C. Pada 40 menit setelah injeksi prekursor belerang, larutan dengan InP QD dan prekursor belerang dipanaskan hingga 200 °C dan kemudian larutan ditambahkan dengan 4 mL prekursor seng. Setelah 60 menit, larutan dengan InP QD, prekursor belerang, dan prekursor seng dipanaskan pada 220 °C selama 30 menit untuk memungkinkan pertumbuhan cangkang ZnS ke inti InP. Setelah itu, prekursor sulfur tambahan (0,7 mL) ditambahkan ke dalam larutan dengan QD inti/kulit InP/ZnS untuk pertumbuhan kedua cangkang ZnS. Setelah injeksi prekursor belerang kedua, larutan dipanaskan hingga 240 °C dan disimpan pada 240 °C selama 30 menit. Setelah 30 menit, prekursor seng (2 mL) ditambahkan ke dalam larutan dengan QD inti/kulit InP/ZnS dan prekursor belerang injeksi kedua. Setelah injeksi prekursor seng kedua, larutan dipanaskan hingga 260 °C untuk melanjutkan pertumbuhan selama 30 menit. Untuk persiapan QD inti/kulit InP/ZnS fluoresen merah dan kuning, prekursor indium dari InCl₃ dan InBr₃ masing-masing digunakan untuk mensintesis QD inti / shell fluorescent merah dan kuning InP / ZnS. Setelah proses sintetik, larutan QD inti/kulit InP/ZnS didinginkan hingga suhu kamar. Untuk menghilangkan senyawa dan produk samping yang tidak bereaksi, larutan QD inti/kulit InP/ZnS dicuci dengan sedikit aseton dan kemudian disentrifugasi pada 4000 rpm selama 15 menit. Setelah sentrifugasi, supernatan dihilangkan dengan hati-hati tanpa gangguan. Endapan didispersikan kembali dalam pelarut yang terdiri dari kloroform dan aseton (20/80, v /v ) dan kemudian disentrifugasi pada 4000 rpm selama 15 mnt. Setelah menghilangkan supernatan, QD inti/kulit InP/ZnS didispersikan dalam kloroform untuk aplikasi QD-LED lebih lanjut.

Uji Stabilitas Termal InP/ZnS Core/Shell QD

Untuk menguji stabilitas termal, solusi InP/ZnS Core/Shell QD pertama kali diendapkan dengan spin casting (1500 rpm, 60 s) pada slide kaca. Dan kemudian slide kaca yang dilapisi dengan QD inti/kulit InP/ZnS masing-masing dianil di bawah suhu termasuk 25, 70, 100, 130, dan 150 °C. Setelah anil dengan waktu yang berbeda, fluoresensi slide kaca yang dilapisi dengan QD inti / cangkang InP / ZnS diukur dengan sistem pencitraan gel / fluoresensi / chemiluminescence. Perubahan fluoresensi kaca slide yang dilapisi dengan QD inti/kulit InP/ZnS dihitung dengan perangkat lunak ImageJ.

Karakterisasi Material

Mikroskop elektron transmisi (TEM) Philips Technai G2 dioperasikan pada 200 kV untuk memperoleh gambar TEM. Untuk menyiapkan sampel TEM, QD inti/kulit InP/ZnS didispersikan secara ultrasonik dalam kloroform dan kemudian setetes larutan QD inti/kulit InP/ZnS dilemparkan ke kisi TEM tembaga-karbon. Selanjutnya, grid TEM yang dihasilkan dikeringkan di udara. Pengukuran difraksi sinar-X (XRD) diperoleh dengan alat Bruker D8 advance, beroperasi dengan radiasi Cu Kα (λ = 1.5406 Å) yang dihasilkan pada 40 keV dan 40 mA. Spektrum serapan UV-Vis diukur dengan spektrofotometer UV/Vis V-770ST. Spektrum fluoresensi diperoleh dengan SLM Aminco-Bowman Series 2.

Fabrikasi Multilayered InP/ZnS Core/Shell QD-LED

InP/ZnS core/shell QD-LED berlapis dibuat melalui deposisi berurutan dari lapisan penyusun termasuk lapisan injeksi lubang (HIL), lapisan transport lubang (HTL), lapisan pemancar (inP/ZnS core/shell QDs, EML), blok exciton lapisan (EBL), lapisan transpor elektron (ETL), dan lapisan injeksi elektron (EIL) pada substrat AU Optronics (AUO) normal bottom emission (BE) model test (MT). Lapisan penyusun HIL, HTL, EBL, ETL, EIL, dan substrat AUO normal BE MT disediakan oleh AU Optronics Corporation. Untuk fabrikasi multilayered InP/ZnS core/shell QD-LED, lapisan HIL, HTL, dan EML secara berurutan diendapkan dengan spin casting pada substrat AUO normal BE MT. Konsentrasi larutan QD inti/kulit InP/ZnS adalah 20 mg/mL. Solusi QD inti/kulit InP/ZnS (20 mg/mL) dicor berputar (1500 rpm) untuk membentuk EML. Selanjutnya, untuk mengeringkan EML, substrat AUO normal BE MT dengan HIL, HTL, dan EML dipanggang pada suhu 70 °C. Akhirnya, lapisan katoda EBL, ETL, EIL, dan Al diendapkan secara berurutan pada EML dengan deposisi uap termal. Area pemancar cahaya dari inti/shell QD-LED InP/ZnS berlapis-lapis adalah 0,2 × 0,2 cm² . Ketebalan film dari inti QD-LED InP/ZnS berlapis-lapis diukur dengan peralatan -langkah. Performa multilayered InP/ZnS core/shell QD-LED terdeteksi oleh fotometer PR670 (Titan Electro-Optics Co., Ltd).

Hasil dan Diskusi

Karakterisasi QD Inti/Shell InP/ZnS

QD inti/kulit InP/ZnS disiapkan oleh sintesis hijau solvothermal dengan prekursor yang murah, lebih aman, dan ramah lingkungan termasuk InI₃ , ZnCl₂ , (DMA)₃ P, seng stearat, dan belerang dibandingkan dengan penelitian sebelumnya. Dalam pekerjaan sebelumnya, ZnCl₂ telah ditunjukkan untuk memfasilitasi pertumbuhan cangkang ZnS dan untuk mengurangi distribusi ukuran inti InP [39]. Untuk pembentukan inti InP, prekursor fosfor (DMA)₃ P digunakan karena harganya yang murah. Lebih penting lagi, (DMA)₃ P stabil di bawah kondisi sekitar untuk peningkatan keamanan sintesis InP. Seperti yang ditunjukkan pada gambar TEM pada Gambar 1, QD inti/kulit InP/ZnS mengungkapkan morfologi sferis. Setelah statistik 100 QD pada gambar TEM, diameter rata-rata QD inti/kulit InP/ZnS adalah ~ 4 nm. Histogram distribusi ukuran QD inti/shell InP/ZnS dan fitting Gaussian ditunjukkan dalam file tambahan 1:Gambar S1. Analisis EDX dari QD inti/kulit InP/ZnS menunjukkan bahwa persentase atom fosfor, belerang, seng, dan indium masing-masing adalah 21,20, 4,17, 69,27, dan 5,36% seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S2.