Meningkatkan Rendering Warna WLED dengan Titik Kuantum Komposit Orange-Merah
Abstrak
Titik kuantum (QD) sebagai materi konversi cahaya yang muncul menunjukkan keunggulan dalam meningkatkan kualitas warna dioda pemancar cahaya putih (WLED). Namun, WLED yang menggunakan QD monokromik sempit biasanya menunjukkan rendering warna yang tidak memuaskan di wilayah orange. Di sini, titik kuantum komposit orange-merah (composite-QDs) dikembangkan melalui pencampuran titik kuantum orange berbasis CdSe/ZnS (O-QDs) dan titik kuantum merah (R-QDs) untuk melengkapi cahaya orange-merah bagi WLED. Kami mengkaji efek penyerapan diri dan proses transfer energi resonansi fluoresens (FRET) dalam composite-QDs pada kontrolabilitas spektrum dan penahanan fluoresens dalam WLED. Konsentrasi dan rasio donor/penerima juga dipertimbangkan untuk menganalisis efisiensi FRET dan membantu mengidentifikasi composite-QDs yang sesuai untuk kompensasi warna di wilayah cahaya orange-merah. Sebagai hasilnya, composite-QDs yang dioptimalkan secara efektif meningkatkan indeks rendering warna WLED dibandingkan dengan QD monokromatik.
Pendahuluan
Dioda pemancar cahaya (LED) telah menarik minat penelitian besar dalam aplikasi pencahayaan padat karena efisiensi tinggi, umur panjang, konsumsi daya rendah, waktu respons cepat, dan keandalan tinggi [1,2,3,4,5,6]. WLED biasanya diproduksi dengan memaketkan fosfor yang memancarkan cahaya kuning, hijau, dan merah dengan chip LED biru [7,8,9]. WLED spektrum penuh menggunakan fosfor komposit dengan proporsi tinggi fosfor merah [10]. Namun, fosfor merah klasik memiliki emisi lebar yang menyebabkan kehilangan lumen di wilayah cahaya merah karena mata manusia tidak sensitif terhadap panjang gelombang lebih dari 650 nm [11].
Baru-baru ini, titik kuantum (QD) telah digunakan untuk memproduksi WLED berkualitas tinggi. Dibandingkan fosfor klasik, QD memiliki properti optik unik, seperti keadilan panjang gelombang bergantung pada ukuran, hasil keluminesansi foton yang tinggi, dan penyerapan yang kuat [12,13,14,15,16,17]. Karena karakteristik emisi sempit di wilayah cahaya merah, QD yang memancarkan cahaya merah sangat berguna untuk mencegah kehilangan lumen yang disebutkan di atas dan meningkatkan indeks rendering warna (CRI) WLED [18, 19]. Oleh karena itu, menggunakan QD untuk mengkompensasi wilayah orange-merah telah menjadi langkah efektif untuk meningkatkan kualitas warna WLED [20]. Secara umum, WLED berbasis QD (QWLED) dapat dibagi menjadi dua kategori dengan mencampur QD monokromik atau polikromatik di dalam LED [20,21,22,23]. Misalnya, Xie et al. menggunakan QD CdSe/CdS/ZnS yang memancarkan cahaya merah untuk mengganti fosfor merah klasik dengan fosfor hijau LuAG:Ce untuk memproduksi WLED berkinerja tinggi [24]. Li et al. memproduksi QWLED dengan mengintegrasikan campuran QD CdZnS/ZnSe yang memancarkan cahaya merah, kuning, dan hijau pada chip LED GaN yang memancarkan cahaya biru, yang menunjukkan CRI 85,2 dan suhu warna terkorelasi (CCT) 4072 K [25].
Sampai saat ini, QWLED spektrum penuh untuk aplikasi pencahayaan biasanya dikembangkan dengan menyertakan fosfor kuning-hijau yang emitsi lebar dan QD merah monokromik yang emitsi sempit [24]. QWLED ini menunjukkan kontinuitas spektrum yang luar biasa di wilayah kuning-hijau tetapi lekuk yang jelas di wilayah orange-merah. Secara teori, composite-QDs yang terdiri dari beberapa QD monokromik di wilayah orange-merah mampu mengisi lekuk dan lebih meningkatkan kontinuitas spektrum QWLED. Namun, sulit untuk mengatur spektrum composite-QDs karena penyerapan diri dan proses transfer energi resonansi fluoresens (FRET) di antara QD polikromatik [26]. Oleh karena itu, meskipun properti warna QWLED telah diselidiki dengan memanipulasi posisi puncak dan lebar QD merah monokromik, composite-QDs orange-merah (composite-QDs) belum pernah dikaji dalam WLED karena proses penyerapan diri dan FRET.
Di sini, composite-QDs dikaji untuk meningkatkan kontinuitas spektrum dan kualitas warna wilayah cahaya orange-merah bagi QWLED. Kami menyiapkan O-QDs dan R-QDs berbasis CdSe/ZnS dengan berbagai lebar setengah maksimum (FWHM) sebagai komponen composite-QDs. FRET dalam composite-QDs dikaji dengan mempertimbangkan efek konsentrasi dan proporsi composite-QDs. Hasilnya digunakan untuk mengoptimalkan efisiensi kuantum (QE) dan kontrolabilitas spektrum composite-QDs. Selain itu, composite-QDs digunakan dengan fosfor hijau LuAG:Ce di LED biru untuk membentuk QWLED. QWLED yang disiapkan menunjukkan kualitas warna yang ditingkatkan dengan spektrum penuh yang lebih seimbang di wilayah orange-merah.
Metode
Bahan dan Kimia
1-Oktadesena (ODE, 90%), sulfur (S, 98,5%), trioktilfosfin (TOP, 85%), dan asam stearat (98%) dibeli dari TCI (Shanghai). Kadmium stearat (Cd(St)₂) dibeli dari Shanghai Debo Chemical Technology Co., Ltd. Bubuk selenium (Se, 325 mesh, 99,5%) dibeli dari Alfa Aesar (China). Asetat seng (Zn(Ac)₂, 99,5%) dibeli dari Shanghai Titan Scientific Co., Ltd. Etanol dan dimetilbenzen dibeli dari Tianjin Damao Chemical Reagent Co., Ltd. Resin silicone (Dow Corning-6662) berasal dari Shineon Co., Ltd. Bahan lainnya ditunjukkan dalam naskah. Semua kimia digunakan langsung tanpa pemurnian lebih lanjut kecuali dinyatakan lain.
Sintesis O-QDs
Prosedur sintesis didasarkan pada laporan dalam literatur [27]. Cd(St)₂ (2 mmol) dan asam stearat (0,2 mmol) dimasukkan ke dalam kolong leher tiga 50 mL dengan 10 mL ODE. Setelah diaduk dengan gelembung nitrogen, larutan dipanaskan hingga 270 °C. Kemudian 0,5 mL TOP-Se (2 mmol bubuk Se dilarutkan dalam 1 mL TOP) diinjeksi dengan cepat ke dalam kolong dan dipelihara pada 270 °C selama 2 menit. Setelah itu, 0,5 mL TOP-S (4 mmol bubuk S dilarutkan dalam 2 mL TOP, diaduk rata) diinjeksi dengan cepat ke dalam kolong dan dipelihara pada 270 °C selama 40 menit, dan kemudian kolong dinginkan hingga 30 °C. Cd(St)₂ (0,75 mmol), Zn(Ac)₂ (2,25 mmol), dan 5 mL ODE ditambahkan ke dalam larutan di atas. Setelah diaduk dengan gelembung nitrogen, kolong dipanaskan hingga 160 °C. 1,5 mL TOP-S diinjeksi perlahan ke dalam kolong dan dipelihara pada 160 °C selama 4 jam, dan kemudian kolong dinginkan hingga suhu ruang. Setelah prosedur pemurnian sentrifuga dengan etanol, QD CdSe/ZnS yang disiapkan dispersi dalam 10 mL dimetilbenzen untuk penggunaan lebih lanjut.
Sintesis R-QDs
Prosedur sintesis serupa dengan O-QDs kecuali untuk dua hal berikut. Suhu pemanasan disesuaikan dari 270 hingga 300 °C. Dan Cd(St)₂ yang ditambahkan kedua adalah 1 mmol bersama dengan Zn(Ac)₂ (3 mmol).
Persiapan Film Lunak Silikon O-QD dan R-QD
Berbagai bobot R-QD dicampur secara merata ke dalam volume gel silicone yang sama untuk membangun gel R-QD dengan konsentrasi yang berbeda (0,05, 0,1, 0,2, 0,4, 0,8, 2, 4, dan 10 mg/mL). Kemudian, gel R-QD dengan konsentrasi yang berbeda dengan volume yang sama ditambahkan ke dalam cetakan yang sama dan gelembung dihilangkan. Terakhir, film lunak komposit silikon R-QD dibentuk dengan pematikan pada 150 °C selama 60 menit. Film lunak silikon O-QD diproduksi dengan proses yang sama dengan konsentrasi yang berbeda (0,05, 0,1, 0,2, 0,4, 0,8, 2, 4, 10, dan 14 mg/mL).
Persiapan Film Lunak Gel Silikon Composite-QD dengan Berbagai Rasio Bobot O-QD terhadap R-QD
Gel silikon composite-QD dengan berbagai rasio bobot O-QD terhadap R-QD (10:1, 5:1, 5:2, dan 5:4) dipersiapkan dengan mencampur secara merata gel O-QD yang disiapkan (10 mg/mL) dan gel R-QD (2 mg/mL) dengan berbagai rasio volume (2:1, 1:1, 1:2, dan 1:4). Kemudian, gel composite-QD dengan konsentrasi yang berbeda ditambahkan ke dalam cetakan yang sama dan gelembung dihilangkan. Terakhir, film lunak gel silikon composite-QD dibentuk dengan pematikan pada 150 °C selama 1 jam.
Persiapan Film Lunak Gel Silikon Composite-QD dengan Berbagai Konsentrasi
Dengan rasio bobot O-QD terhadap R-QD yang sama (10:1), composite-QD dicampur ke dalam berbagai volume gel silicone untuk membentuk gel composite-QD dengan berbagai konsentrasi (0,35, 0,5, 0,75, 1, 1,5, dan 3 mg/mL). Kemudian, gel composite-QD yang disiapkan ditambahkan ke dalam cetakan yang sama dan gelembung dihilangkan. Terakhir, film lunak gel silikon composite-QD dengan berbagai konsentrasi composite-QD dibentuk dengan pematikan pada 150 °C selama 1 jam.
Pembuatan WLED
Chip LED (kemasan bingkai timbal 2835 tipikal) dengan puncak emisi pada 450 nm digunakan untuk pembuatan WLED.
Fosfor LuAG:Ce yang memancarkan cahaya hijau, O-QDs (10 mg/mL), R-QDs (2 mg/mL), atau composite O-R QDs (rasio bobot 10:1) dicampur secara merata dengan gel silicone (Dow Corning 6662, A:B = 1:4), dan campuran di-degas dalam vakum. Dengan metode pemaketan umum berdasarkan gel silicone, empat WLED yang berbeda dikembangkan dengan fosfor LuAG:Ce, fosfor dan O-QDs, fosfor dan R-QDs, dan fosfor dan composite-QDs, masing-masing. Terakhir, WLED di atas dipetakan dengan pematikan pada 150 °C selama 1 jam.
Pengukuran dan Karakterisasi
Luminesansi foton (PL) direkam pada spektrometer PL Ideaoptics FX2000-EX. Spektroskopi transmisi elektron (TEM) dilakukan pada mikroskop transmisi elektron FEI Tecnai G2 Spirit TWIN yang beroperasi pada 100 kV. Pengukuran efisiensi kuantum (QE) dilakukan pada sistem tes QEpro QY OceanOptics di bawah irradiasi laser biru 365 nm. Efisiensi luminesansi dan daya optik direkam pada sistem analisis dan pengukuran fotoelektrik otomatis kontrol suhu LED EVERFINE ATA-1000. Serapan UV-Vis diukur menggunakan spektrometer UV-Vis Persee T6. Spektra eksitasi dan spektroskopi PL teresolusi waktu (TRPL) telah diukur dengan spektrometer fluoresens Edinburgh FLS920.
Hasil dan Pembahasan
Properti optik dari kedua QD monokromik pertama kali dikaji. Gambar 1a dan b menunjukkan spektrum PL dan serapan R-QDs dan O-QDs. FWHM R-QDs dan O-QDs masing-masing sekitar 20,6 dan 43 nm. Posisi garis titik menunjukkan puncak PL dan serapan. Seperti ditunjukkan dalam citra TEM, R-QDs dan O-QDs menunjukkan morfologi kubik dengan ukuran rata-rata 13 nm dan 12 nm (Gambar 1c dan d), masing-masing. Citra HRTEM sisipan menunjukkan jarak antar datar 0,35 nm, yang dapat ditetapkan pada bidang (111) fase kubik ZnS.
Spektrum PL dan UV R-QDs (a) dan O-QDs (b). Citra TEM R-QDs (c) dan O-QDs (d)
Properti optik film lunak silikon QD yang terdiri dari R-QD monokromik dan O-QD dengan berbagai konsentrasi lebih diuji di bawah eksitasi oleh laser 365 nm pada 15,88 mW/cm². Gambar 2a dan b menunjukkan spektrum PL yang bergantung pada konsentrasi QD dan FWHM-nya hampir konstan. Gambar 2c dan d menunjukkan intensitas PL dan QE absolut film lunak silikon QD monokromik dengan berbagai konsentrasi QD. Seiring dengan kenaikan konsentrasi, intensitas PL film lunak silikon R-QD meningkat hingga konsentrasi QD mencapai 2 mg/mL dan kemudian menurun karena penahanan konsentrasi. Serupa dengan variasi intensitas PL, QE QD mencapai nilai tertinggi sekitar 85% pada konsentrasi yang sama. Intensitas PL dan QE film lunak silikon O-QD menunjukkan tren bergantung pada konsentrasi yang serupa dengan film lunak berbasis R-QD. Berbeda, intensitas PL dan QE O-QD meningkat cepat hingga konsentrasi QD 4 mg/mL dan nilai maksimum diperoleh pada konsentrasi 10 mg/mL. Kami menyimpulkan bahwa ini disebabkan oleh pergeseran Stoke yang lebih besar O-QD daripada R-QD. QE maksimum film lunak silikon O-QD sekitar 76%, yang berada pada konsentrasi QD yang sama dengan intensitas PL tertinggi.
Spektrum PL film lunak gel silikon berbasis R-QD (a) dan O-QD (b). Intensitas PL dan QE yang sesuai film lunak gel silikon berbasis R-QD (c) dan O-QD (d) dengan berbagai konsentrasi QD
Selain itu, film lunak gel silikon berbasis R-QD 2 mg/mL dan O-QD 10 mg/mL juga menunjukkan intensitas PL tertinggi di bawah daya eksitasi yang berbeda, seperti ditunjukkan dalam Gambar S1 a dan b, masing-masing. Pada kedua konsentrasi di atas, properti optik QD monokromik terpelihara dengan baik, yang melemahkan penahanan PL yang disebabkan oleh efek matriks tuan rumah [28, 29]. Studi ini membantu menemukan konsentrasi QD monokromik yang sesuai dalam film silicone.
Untuk lebih mengkaji pengaruh konsentrasi QD dalam film lunak silikon berbasis QD monokromik, spektrum PL teresolusi waktu (TRPL) film lunak dengan berbagai konsentrasi diukur dan kurva penurunan ditampilkan dalam Gambar 3. Diketahui bahwa kurva penurunan PL dapat diekspresikan dengan fungsi eksponensial multi, seperti diilustrasikan oleh Eq. 1 [30],
di mana I(t) adalah intensitas PL pada waktu t, Ai dan τi mewakili amplitudo relatif dan waktu hidup keadaan tertekan dari setiap komponen eksponensial penurunan PL, dan n adalah jumlah waktu penurunan. Kurva penurunan ini, seperti ditunjukkan dalam Gambar 3a dan b, dapat dengan baik disesuaikan dengan fungsi eksponensial ganda sesuai Eq. 1.
Parameter penyesuaian Ai dan τi terdaftar dalam Tabel S1 dan S2. Waktu hidup tertimbang amplitudo R-QDs dan O-QDs dipilih sebagai waktu hidup mereka (τave) untuk penyelidikan lebih lanjut. Waktu hidup dapat dihitung dari Eq. 2 berikut [31] dan terdaftar dalam Tabel S1 dan S2.
Gambar 3c dan d menunjukkan waktu hidup kedua QD monokromik di bawah berbagai konsentrasi. Keduanya waktu hidup meningkat seiring dengan kenaikan konsentrasi dan laju kenaikan menjadi lebih lambat setelah 1 mg/mL untuk R-QDs dan 2 mg/mL untuk O-QDs, masing-masing. Ini menunjukkan bahwa kenaikan konsentrasi mengurangi jarak di antara QD sehingga meningkatkan transfer energi dan penyerapan diri dalam QD monokromik [32, 33]. Sementara itu, peningkatan waktu hidup O-QD lebih jelas daripada R-QD, yang menunjukkan lebih banyak transfer energi dalam O-QD. Namun, tampaknya transfer energi tidak menginduksi penahanan fluoresens QD pada konsentrasi rendah. Sebaliknya, mungkin memiliki efek positif pada intensitas PL dan QE, seperti sebelumnya ditunjukkan dalam Gambar 2.
Properti optik composite-QD dengan berbagai rasio bobot R-QD terhadap O-QD lebih dikaji. Spektrum PL film lunak composite-QD ditampilkan dalam Gambar 4a. Berdasarkan spektrum, rasio intensitas puncak PL composite-QD 631:605 (nm) diekstrak dalam Gambar 4b. Rasio intensitas puncak menunjukkan peningkatan seiring dengan persentase R-QD, yang menunjukkan transfer energi dari O-QD ke R-QD. Gambar 4c menunjukkan tumpang tindih antara spektrum serapan R-QD dan spektrum emisi O-QD. Ini menunjukkan kemungkinan tinggi proses FRET, di mana O-QD bertindak sebagai donor dan R-QD sebagai penerima (ditunjukkan dalam Gambar 4d).
Spektrum PL film lunak composite-QD dengan berbagai rasio R-QD terhadap O-QD (a) dan rasio intensitas puncak PL composite-QD (b). Tumpang tindih spektrum serapan R-QD dan spektrum emisi O-QD (c). Diagram skematis transfer energi dalam composite-QDs (d)
Studi lebih lanjut difokuskan pada proses FRET dalam composite-QDs. Gambar 5a menunjukkan efek R-QD (penerima) pada kinetika emisi O-QD (donor). Intensitas TRPL menurun seiring dengan kenaikan penerima dalam sampel film (dianalisis pada panjang gelombang puncak emisi donor 605 nm). Gambar 5b menunjukkan efek O-QD (donor) pada kinetika emisi R-QD (penerima). Sebaliknya, intensitas TRPL meningkat seiring dengan kenaikan donor dalam sampel film (dianalisis pada panjang gelombang puncak emisi penerima 631 nm). Kurva penurunan dalam Gambar 5a dan b dapat disesuaikan dengan 2 eksponensial, dan amplitudo rinci, komponen waktu hidup, dan waktu hidup tertimbang amplitudo QD terdaftar dalam Tabel S3. Waktu hidup sampel O-QD ditemukan 30,25 ns. Saat penerima R-QD diperkenalkan, waktu hidup donor O-QD menurun (Tabel S3) karena intervensi saluran transfer energi. Waktu hidup donor menjadi lebih pendek seiring dengan kenaikan konsentrasi penerima. Sebaliknya, waktu hidup sampel R-QD ditemukan 13,08 ns. Saat donor O-QD diperkenalkan, penerima R-QD menunjukkan peningkatan waktu hidup sebagai hasil dari pemasukan energi (Tabel S3) [34]. Hasil perhitungan ditampilkan dalam Gambar 5c, yang dengan jelas menunjukkan fenomena ini.
Kurva penurunan TRPL film lunak composite-QD dengan berbagai rasio R-QD terhadap O-QD pada panjang gelombang puncak emisi donor (a) dan penerima (b). Variasi penurunan waktu hidup donor dan peningkatan waktu hidup penerima (c). Perbandingan peningkatan relatif antara efisiensi FRET dan proporsi R-QD, dan efisiensi FRET yang dihitung di bawah berbagai rasio R-QD terhadap O-QD (d)
Proses FRET juga diselidiki oleh efisiensi transfer energi. Efisiensi FRET dapat dihitung berdasarkan waktu hidup seperti diilustrasikan oleh Eq. 3.
$$ E=1-\frac{\tau_{DA}}{\tau_D} $$ (3)
di mana τDA adalah waktu hidup fluoresens donor dalam kehadiran penerima, τD adalah waktu hidup fluoresens donor tanpa kehadiran penerima [26]. Ini menunjukkan bahwa τDA berbanding terbalik dengan efisiensi transfer energi. Oleh karena itu, seiring dengan kenaikan rasio penerima/donor, τDA menjadi lebih pendek dan efisiensi transfer energi meningkat. Efisiensi transfer energi yang lebih besar mencerminkan dampak yang lebih tinggi pada fluoresens. Kami lebih menganalisis efisiensi FRET composite-QDs dalam Gambar 5a. Hasil perhitungan terdaftar dalam Tabel 1 dan efisiensi mencapai 33,2% dengan proporsi penerima tertinggi. Sementara itu, Gambar 5d menunjukkan perubahan efisiensi FRET di bawah berbagai rasio donor terhadap penerima. Efisiensi FRET meningkat seiring dengan kenaikan R-QD (penerima) dalam composite-QDs dan laju kenaikan efisiensi dekat dengan laju kenaikan R-QD. Ini menunjukkan bahwa peningkatan transfer energi sensitif terhadap peningkatan penerima.
Sebagai spektrum kontinuitas terbaik untuk pencahayaan LED di cahaya orange-merah, composite-QDs dengan rasio bobot R-QD terhadap O-QD 1:10 dipilih untuk penyelidikan lebih lanjut. Gambar 6a menunjukkan spektrum PL film lunak silikon composite-QD dengan berbagai konsentrasi composite-QD pada rasio bobot R-QD terhadap O-QD yang sama (R:O = 1:10). Selain peningkatan intensitas PL keseluruhan, proporsi cahaya merah (631 nm) juga meningkat secara jelas seiring dengan kenaikan konsentrasi QD, seperti ditunjukkan dalam Gambar 6b. Fenomena ini dapat disebabkan oleh FRET yang ditingkatkan seiring dengan kenaikan konsentrasi QD. Selain itu, laju kenaikan cahaya merah menjadi lebih lambat pada konsentrasi QD yang lebih tinggi. Ini mungkin disebabkan oleh keabsoran transfer energi (ET) di antara QD. Namun, QE absolut film lunak komposit silikon QD menunjukkan perubahan kurang dari 5% dengan berbagai konsentrasi composite-QD, seperti ditunjukkan dalam Gambar 6c. Tampaknya 1,0–1,5 mg/mL adalah konsentrasi QD yang paling menguntungkan untuk composite-QD dalam aplikasi, yang memastikan QE tinggi dengan variasi spektrum rendah.
Spektrum PL film lunak silikon composite-QD yang disiapkan dengan berbagai konsentrasi (a) dan rasio intensitas puncak PL mereka (b). QE film lunak silikon composite-QD yang disiapkan (c). Waktu hidup donor (titik oranye) atau penerima (titik merah), dan efisiensi FRET (titik biru) di bawah berbagai konsentrasi composite-QD (d)
Kurva penurunan TRPL film lunak dengan berbagai konsentrasi composite-QD ditampilkan dalam Gambar S2. Tabel S4 mencantumkan amplitudo, komponen waktu hidup, dan waktu hidup tertimbang amplitudo untuk composite-QD. Efisiensi FRET-nya dihitung dan ditampilkan dalam Tabel S5. Selanjutnya, perubahan waktu hidup dan efisiensi FRET dengan konsentrasi jelas ditampilkan dalam Gambar 6d. Secara rinci, efisiensi FRET menunjukkan tren penurunan dari 22 hingga 9% seiring dengan kenaikan konsentrasi. Sementara itu, waktu hidup yang direkam pada panjang gelombang emisi donor O-QD meningkat seiring dengan kenaikan konsentrasi (titik oranye dalam Gambar 6d). Ini serupa dengan waktu hidup bergantung pada konsentrasi sampel O-QD murni yang ditunjukkan dalam Gambar 3. Ini menunjukkan adanya efek gabungan FRET dan penyerapan diri (seperti QD monokrom). Seiring dengan kenaikan konsentrasi, penyerapan diri yang ditingkatkan menyebabkan peningkatan τDA (waktu hidup fluoresens donor dalam kehadiran penerima, seperti ditunjukkan dalam Gambar 6d, titik oranye), yang menunjukkan inhibisi FRET di antara composite-QD (titik biru dalam Gambar 6d). Pada panjang gelombang emisi penerima R-QD, efisiensi FRET yang berkurang menghasilkan peningkatan waktu hidup yang lebih kecil pada konsentrasi tinggi (titik merah dalam Gambar 6d). Akibatnya, composite-QD menunjukkan waktu hidup yang relatif lemah bergantung pada konsentrasi dan dapat mempertahankan QE stabil, yang bermanfaat bagi aplikasi composite-QD dalam aplikasi LED.
Untuk mempelajari efek kompensasi cahaya composite-QD dalam aplikasi pencahayaan, WLED diproduksi dengan mencampur fosfor hijau yang memancarkan LuAG:Ce dan O-QDs, R-QDs, atau composite-QDs (R:O = 1:10) dan memaketkan campuran di atas chip GaN yang memancarkan 450 nm. Di bawah arus pengemudi 40 mA, spektrum eksitasi-luminesansi (EL) WLED yang disiapkan diilustrasikan dalam Gambar 7. Suhu warna terkorelasi (CCT) dan koordinat warna WLED ditampilkan dalam Gambar S3 dan Tabel S6. Keempat WLED memiliki spektrum yang hampir sama di wilayah cahaya biru-hijau tetapi berbeda di wilayah cahaya orange-merah. Selain itu, WLED berbasis LuAG:Ce (hanya) menunjukkan indeks rendering warna (CRI) terendah sebesar 48,8 karena kehilangan wilayah cahaya orange-merah. Sebaliknya, WLED berbasis composite-QD menunjukkan spektrum yang lebih lebar dan datar di wilayah cahaya orange-merah dan CRI tertinggi sebesar 92,1. Dibandingkan composite-QD, WLED LuAG:Ce (hanya) dan R-QD menunjukkan lekuk cahaya yang jelas di wilayah cahaya orange dan menunjukkan perbedaan besar dalam CCT dan koordinat warna. Meskipun WLED berbasis O-QD memiliki CCT dan koordinat warna yang serupa dengan WLED berbasis composite-QD, ia kehilangan cahaya merah dan sehingga menunjukkan CRI yang jauh lebih rendah daripada composite-QD. Ini menunjukkan kemampuan yang menjanjikan composite-QD dalam meningkatkan kualitas warna WLED.
Spektrum EL WLED yang dipaketkan dengan fosfor hijau LuAG:Ce hanya (a), LuAG:Ce+R-QDs (b), LuAG:Ce+O-QDs (c), dan LuAG:Ce + composite-QDs (d)
Untuk lebih mengevaluasi hasil eksperimen, efisiensi radiasi lumines (LER) dihitung sesuai dengan rumus berikut:
di mana 683 lm/Wopt adalah faktor normalisasi. Wopt, V(λ), dan P(λ) adalah daya optik, fungsi sensitivitas mata manusia, dan densitas daya spektral sumber cahaya, masing-masing [35, 36].
Hasil LER diringkas dalam Tabel S6 dan serupa dengan laporan sebelumnya [37,38,39]. Menurut hasilnya, LER WLED berbasis composite-QD (sampel d) lebih tinggi daripada R-QD (sampel c) dan lebih rendah daripada O-QD (sampel b) karena mata manusia lebih sensitif terhadap cahaya orange daripada cahaya merah.
Kesimpulan
Secara singkat, kami menyiapkan titik kuantum komposit orange-merah (composite-QDs) dan mempelajari properti optik serta dinamika transfer energi dalam composite-QDs untuk aplikasi LED. Studi kami mengungkapkan bahwa konsentrasi composite-QDs dan proporsi donor-QD serta penerima-QD memainkan peran penting dalam efisiensi transfer energi dan stabilitas spektrum. Sementara itu, penyerapan diri memiliki pengaruh yang signifikan terhadap FRET di antara QD monokrom yang berbeda dalam composite-QDs. QE yang relatif stabil dan tinggi dapat dicapai dengan menyesuaikan rasio donor terhadap penerima dalam composite-QDs, yang bermakna untuk meningkatkan kualitas warna WLED melalui kompensasi lekuk cahaya di wilayah orange-merah. Akibatnya, WLED yang diproduksi berdasarkan composite-QD menunjukkan kualitas warna yang sangat ditingkatkan dan spektrum cahaya yang lebih alami dibandingkan spektrum WLED berbasis QD monokrom.
Ketersediaan Data dan Bahan
Dataset yang dihasilkan dan/atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis atas tanggung jawab atas permintaan yang wajar.
