采用热管理技术的蓝宝石基钙钛矿量子点@玻璃薄膜,用于高功率激光投影

《Journal of Luminescence》:Perovskite QDs@glass films on sapphire with thermal management for high-power laser projection

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年04月12日 来源:Journal of Luminescence 3.6

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  激光投影用宽色域磷光轮的量子点玻璃制备与热管理优化。通过调控CsPb(Br_xI_{1-x})_3量子点玻璃的Br/I比例(x=0-0.8),获得最佳红转换薄膜PQDF4(PLQY 38.3%)。蓝宝石基底结合高速旋转(1000rpm)将静态光饱和功率提升至9.16W,表面温升<40℃。有限元模拟和红外热成像证实旋转可周期化散热,抑制热累积。双段磷光轮(PQDF4红段+CsPbBr3绿段)在6.58W蓝光激发下实现127.5% NTSC和93.7% Rec.2020色域覆盖。

  
余湛阳|王琪|杨博博|杨泽贵|刘宇凯|夏炳轩|郑长然|胡荣荣|邹俊
上海工业大学理学院,中国上海 201418

摘要

高功率激光投影需要色彩转换器,该转换器能够在超过20 W/mm2的辐照度下同时提供宽色域、高辐射度和可靠的热量散发。现有的荧光轮存在热饱和和红色发射受限的问题,这阻碍了Rec.2020标准的实现。为了满足高功率激光投影的需求,我们通过熔融淬火和旋涂技术在蓝宝石基板上制备了大面积的CsPb(Br?I???)?量子点(QDs@glass)薄膜。通过系统地调节Br/I比例(x = 0–0.8),将带隙从2.40 eV缩小到1.73 eV;其中x = 0.2的组成(PQDF4)表现出最高的光致发光量子效率(38.3%),被选为红色转换器。蓝宝石基板的热导率提升至34.8 W/m·K,使得静态光饱和功率从(块状玻璃的4 W)增加到7.87 W,并在1000 rpm的旋转速度下进一步增加到9.16 W,同时表面温度保持在40°C以下。有限元模拟和红外热成像证实,旋转将连续激发转化为周期性加热,有效抑制了热量积累。由PQDF4和CsPbBr? QDs组成的双段荧光轮在6.58 W蓝光激发下实现了127.5%的NTSC色域覆盖率和93.7%的Rec.2020色域覆盖率,并成功投射出全彩图像。结果表明,PQDF薄膜同时具备高辐射度和高效的热量散发能力,为下一代激光显示器提供了一种热稳定性强、色域宽广的色彩转换器。

引言

激光显示技术作为继阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)和有机发光二极管(OLED)之后的下一代显示平台应运而生[[1], [2], [3], [4]]。由于其固有的优势,如高亮度、长使用寿命和宽色域,激光显示系统在各种应用场景中展现出巨大潜力。其基本工作原理是利用高功率蓝光或紫外激光源激发荧光轮中的波长转换材料,产生红色和绿色基色光,再与剩余的蓝光结合形成全彩图像。因此,荧光转换组件的性能对激光显示系统的光学效率和色彩质量起着决定性作用。自2014年首次报道以来,全无机钙钛矿量子点因其出色的光电性能而受到广泛关注[[5], [6], [7], [8], [9], [10]]。这些材料具有高的光致发光量子产率、窄的发射线宽和优异的色彩纯度,使其成为实现激光显示技术所需宽色域和高色彩饱和度的理想候选材料。然而,钙钛矿量子点的固有不稳定性,特别是对温度、湿度和光照以及氧气的敏感性,严重限制了其在实际设备中的应用。因此,提高钙钛矿量子点的环境稳定性和热稳定性是其在激光显示系统中应用的核心挑战。
为降低钙钛矿量子点的环境敏感性,人们开发了多种稳定策略。其中,将钙钛矿量子点嵌入无机玻璃基体中形成量子点玻璃复合材料被证明是一种非常有前景的方法。然而,基于块状玻璃的复合材料引入了新的限制。玻璃基体本身的低热导率以及玻璃-空气界面的全内反射显著限制了光提取效率,导致光子在材料内部大量 confined[[11], [12], [13], [14]]。此外,将脆性的块状玻璃复合材料加工成适合高速旋转荧光轮的薄片或薄膜,以及实现与金属或陶瓷基体的牢固集成,仍然是制造上的重大挑战。相比之下,基于有机聚合物的传统量子点封装方法具有低成本和简单加工的优点,但有机树脂较差的热阻往往会导致在高功率激发下设备不可逆退化。此外,有机封装剂与无机量子点之间的热膨胀系数不匹配可能会在热循环过程中引起微裂纹或界面分层,从而影响设备的可靠性和光学均匀性[[15], [16], [17]]。
为了解决这些挑战,本研究提出并系统研究了基于钙钛矿-玻璃复合材料的新型荧光转换薄膜架构。首先,通过调节Br/I卤化物比例(x = 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8)合成了一系列CsPb(Br?I???)?量子点玻璃粉末,并制备了相应的量子点玻璃薄膜(PQDF)样品。系统研究了组成对薄膜光学性能、晶体结构和发射动态的影响,最终确定了PQDF4薄膜具有最佳的光致发光性能。作为对比,还制备了传统的双组分环氧树脂封装剂(A部分:树脂)和固化剂(B部分)薄膜(ABF),以阐明不同封装介质对量子点光学行为和稳定性的影响。随后,分析了蓝宝石基板和旋转运动在抑制温度上升和增强热量散发方面的综合效果。在连续波蓝光激发下,全面评估了不同组成的PQDF薄膜以及PQDF4、ABF和原始CsPb(Br?.?I?.?)? QDs@glass(PQDG)的发射饱和行为,结果显示PQDF4在高功率激发下表现出更优异的性能。最后,作为概念验证,将优化的PQDF4红色转换薄膜与商用CsPbBr?量子点玻璃绿色荧光轮集成在一起,实现了在高速旋转和蓝光泵浦下的宽色域激光投影,成功投射出全彩图像。
本研究不仅证明了PQDF薄膜作为钙钛矿量子点高效稳定荧光转换平台的可行性,还为解决激光显示和高功率LED封装中长期存在的热-光学权衡问题提供了有效的材料和器件设计策略。这些发现为开发具有高亮度、宽色域和长使用寿命的下一代显示技术提供了宝贵的物理见解和实际指导。

章节片段

CsPb(Br?I???)? QDs@glass粉末的制备

所有钙钛矿QDs@glass都是通过高温熔融淬火法合成的。按照6Na?CO?–2BaCO?–15ZnO–60H?BO?–20SiO?和2Cs?CO?–Pb?O?–7NaBr(摩尔比)的比例,准备了化学计量的CsPbBr? QDs@glass批次。对于CsPb(Br?I???)? QDs@glass,用7[xNaBr–(1-x)NaI](x = 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8)替代了7NaBr,同时保持其他成分不变。原材料在玛瑙研钵中手工研磨

具有不同Br/I比例的钙钛矿量子点薄膜的组成优化和筛选

首先通过高温熔融淬火法合成了一系列CsPb(Br?I???)?量子点玻璃粉末(x = 0.8, 0.6, 0.4, 0.2, 0)。随后,将这些量子点粉末与乙基纤维素和萜品醇按1:1:10的质量比混合,制备成薄膜,称为PQDF(Phosphor-in-Glass Film),制备流程如图1所示。所得薄膜分别标记为PQDF1(x = 0.8)、PQDF2(x = 0.6)、PQDF3(x = 0.4)、PQDF4(x = 0.2)和PQDF5

结论

在本研究中,通过高温熔融淬火法合成了CsPb(Br/I)?量子点玻璃,并通过旋涂技术在蓝宝石基板上制备了PQDF薄膜。在x = 0–0.8的范围内调节带隙后发现,PQDF4(x = 0.2)具有最高的光致发光效率,被选为红色发射段。XRD确认PQDF4和ABF薄膜在制备过程中均未发生结构降解。有限元热模拟和红外热成像

CRediT作者贡献声明

余湛阳:数据整理、初稿撰写。王琪:研究调查、方法论设计、软件开发。杨博博:资金获取、项目管理、审稿与编辑。杨泽贵:验证、初稿撰写。刘宇凯:数据整理、数据分析。夏炳轩:概念构思、研究调查、方法论设计。郑长然:数据整理、数据分析。胡荣荣:概念构思、研究调查、方法论设计。邹俊:资金获取、项目管理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了浙江省“先锋”和“领头鹅”研发计划(项目编号:2024C01193)、江苏省重点研发计划(项目编号:BE2023048)、上海市科学技术委员会科技创新计划(项目编号:23N21900100)、云南省创新引导和技术导向型企业培育计划(项目编号:202404BI090001)以及上海工业大学协同创新基金(项目编号:XTCX2024-06)的支持。
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