近紅外發(fā)光（NIR，700-2500 nm）微二極管（micro-LED）在生物傳感、虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實（VR/AR）、遙感和光通訊等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。傳統(tǒng)近紅外熒光粉存在顆粒尺寸大、發(fā)光效率低、發(fā)光穩(wěn)定性差或含重金屬有毒元素（Cd2+和Pb2+）等問題，極大地限制了其在micro-LED領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，發(fā)展一類無毒高效的近紅外納米熒光粉具有重大意義。
近期，中國科學院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所/閩都創(chuàng)新實驗室的陳學元團隊涂大濤研究員等在國家自然科學基金重點項目和區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金等項目支持下，成功研發(fā)出CuInSe2:Zn2+（CISe: Zn2+）基高效近紅外量子點熒光粉，并首次將其應(yīng)用于micro-LED（圖1）。
圖1、高效CISe:Zn2+@ZnSe近紅外量子點熒光粉及其micro-LED應(yīng)用示意圖
研究團隊通過精準設(shè)計CISe: Zn2+納米晶中的Cu/In和Zn/In組分比，實現(xiàn)了發(fā)射峰從750 nm至1150 nm的寬范圍調(diào)控；包覆ZnSe殼層后，材料的穩(wěn)定性和發(fā)光效率得到顯著提升，近紅外絕對量子產(chǎn)率高達92.8%。基于此，團隊制備了光轉(zhuǎn)換mini-LED，通過優(yōu)化實驗條件，實現(xiàn)了量子點在封裝膠中的均勻分散，有效避免了聚集熒光猝滅問題，近紅外輻照通量高達88.7mW@350mA，為目前已報道無毒近紅外量子點光轉(zhuǎn)換LED的最高值。同時，器件表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性：雙85老化（85 ℃和85%的濕度）72小時后，可維持94.5%的發(fā)光效率；25-150 ℃循環(huán)變溫10次之后，仍能保持初始發(fā)光效率的98.2%。
進一步地，團隊與福州大學合作，利用電流體噴印技術(shù)，將CISe:Zn2+@ZnSe熒光粉應(yīng)用于近紅外micro-LED。通過掃描電鏡和原子力顯微鏡等證實所制備的微發(fā)光陣列形狀規(guī)則、尺寸可調(diào)，無咖啡環(huán)和拖尾等現(xiàn)象；特別地，藍光芯片點亮后，陣列發(fā)出很強的近紅外光信號，發(fā)光像素點直徑最小為3.7 μm，遠優(yōu)于目前商業(yè)化噴墨打印水平（10-30 μm）。基于該量子點熒光粉的優(yōu)異性能，團隊噴印出10 × 10 mm的圖案，局部放大的陣列呈現(xiàn)良好的重復性和穩(wěn)定性（圖2）。該工作為開發(fā)高效近紅外納米熒光粉及其micro-LED應(yīng)用提供了新的思路，也為發(fā)展近紅外微納器件和柔性電子設(shè)備奠定了良好基礎(chǔ)。
相關(guān)成果以全文形式在線發(fā)表在Advanced Materials（Adv. Mater.2024,36, 2311011），該論文的第一作者是中國科學院福建物構(gòu)所/福州大學聯(lián)培博士研究生廉緯，通訊作者為中國科學院福建物構(gòu)所/閩都創(chuàng)新實驗室涂大濤研究員、朱浩淼研究員和陳學元研究員，以及福州大學楊開宇副教授。
圖2、（a）制備micro-LED示意圖。Micro-LED陣列的（b-c）掃描電鏡圖、（d-e）近紅外熒光圖像和（f-i）原子力顯微鏡圖。基于micro-LED陣列噴印的（j）熒光圖案和（k-m）局部放大熒光圖像
此前，陳學元團隊在近紅外熒光材料的設(shè)計、合成及應(yīng)用中已取得系列重要進展。例如，開發(fā)出CuInSe2基高效近紅外二區(qū)發(fā)光量子點生物探針，并將其應(yīng)用于循環(huán)腫瘤細胞檢測和腫瘤靶向?qū)崟r成像（Nano Today2020,35, 100943）；采用荷移躍遷敏化策略，實現(xiàn)了在Cs2NaInCl6基質(zhì)中高效的稀土離子近紅外發(fā)光（Adv. Sci.2022,9, 2203735）；通過局域?qū)ΨQ性調(diào)控，發(fā)展了Cs2(Na/Ag)BiCl6: Yb3+, Er3+近紅外熒光粉，并應(yīng)用于近紅外成像（Angew. Chem. Int. Ed.2022,61,e202205276）；利用陷阱調(diào)控策略，開發(fā)了紫外-可見-近紅外全光譜可調(diào)的長余輝及光激勵稀土摻雜Cs2NaGdF6熒光粉（Matter2023,6, 4261）。
文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202311011
（來源：中國科學院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所）
