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郑州大学宋继中: 如何让钙钛矿量子点更亮更耐用?试试掺点银颗粒

2026-03-31 07:36:35

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亚微米银颗粒增强LED用钙钛矿量子点荧光粉的发光与热稳定性

冯智浩，杨智，范文轩，李博亚，王沙龙，宋继中

郑州大学物理学院

【文献链接】

Feng, Zhihao, ZhiYang, WenxuanFan, BoyaLi, ShalongWang, and JizhongSong. 2026. “Sub-Micrometer Ag Particles Boost Luminescence and Thermal Stability of Perovskite Quantum Dot Phosphors for Light-Emitting Diodes,” Rare Metals: e70210.

【背景介绍】

钙钛矿量子点是照明与显示领域极具潜力的发光材料，但其在应用过程中热稳定性较差的问题亟待解决。本研究通过引入亚微米银颗粒，同步提升了钙钛矿量子点的发光强度与热稳定性。采用原位固相法合成了CsPbBr₃/Ag（CPB/Ag）复合荧光粉。研究发现，纳米银颗粒会猝灭钙钛矿量子点的发光，且其不连续结构会破坏热传导通路，反而削弱了金属颗粒的增强效应。相比之下，亚微米银颗粒通过强光散射作用使复合荧光粉的光致发光强度较原始CsPbBr₃提升2.2倍。此外，得益于亚微米银颗粒的高热导率，该复合荧光粉在85℃下仍能保持初始发光强度的75.6%，显著高于原始CsPbBr₃的24.8%。基于此材料制备的白光LED在持续工作1000小时后仍能保持初始亮度的83.5%，远优于基于原始CsPbBr₃器件的30.3%。本研究证明了亚微米银颗粒在提升钙钛矿荧光粉亮度与热稳定性方面的关键作用，为其在高可靠性、高性能白光LED中的应用开辟了新路径。

【文章亮点】

1. 通过原位固相法制备了CsPbBr₃/Ag复合荧光粉。

2. 亚微米Ag颗粒的强光散射效应使CsPbBr₃光致发光强度提升了2.2倍。

3. 亚微米Ag颗粒的高热导率大幅改善了CsPbBr₃在高温下的发光稳定性。

4. 基于复合荧光粉的白光LED展现出优异的长期运行稳定性，工作1000h后仍能保持初始亮度的83.5%。

【内容简介】

日前，郑州大学物理学院的宋继中教授课题组在Rare Metals上发表了题为“Sub-Micrometer Ag Particles Boost Luminescence and Thermal Stability of Perovskite Quantum Dot Phosphors for Light-Emitting Diodes”的研究文章，提出了通过原位固相法合成的CsPbBr₃/Ag复合荧光粉，在提升光效与热稳定性的同时，实现了白光LED的长期稳定运行。

通过原位固相法成功合成了CsPbBr₃/Ag复合荧光粉。光致发光强度提升至纯CsPbBr₃量子点荧光粉的2.2倍，在85℃下仍能保持初始发光强度的75.6%，基于其构建的白光LED色坐标为(0.33, 0.34)，色温为5592 K，且在持续运行1000小时后仍能保持初始亮度的83.5%。

【图文解析】

图1 结构表征。(A) CPB/Ag复合荧光粉制备流程示意图。(B) Ag粉末与CPB/Ag粉末的XRD图谱。(C) CPB/Ag复合荧光粉的TEM图像及(D) HRTEM图像。(E) CPB/Ag复合荧光粉的HAADF图像及元素分布图。

图1展示了原位固相法合成CsPbBr₃/Ag复合荧光粉的示意图，结合XRD、TEM、HRTEM及元素分布等实验手段证实了CsPbBr₃/Ag复合荧光粉的成功合成，并揭示了其结构形貌、晶体取向与元素分布特征，为后续发光性能的研究提供了材料结构基础。

图2 基于Ag颗粒光散射效应提升PL强度。(A) CPB与CPB/Ag荧光粉的光散射示意图。(B) CPB及(C) CPB/Ag荧光粉在365 nm激光照射下的实物照片。(D) CPB与CPB/Ag荧光粉的PL光谱。插图为二者在日光下的实物照片。(E, G) CPB与CPB/Ag荧光粉的荧光显微图像及(F, H) PL强度分布图。(I) 不同Ag粒径的CPB/Ag荧光粉在日光（上）和365 nm紫外光照射下（下）的实物照片。(J) Ag粒径与PL强度的关系。(K) 不同Ag质量分数的CPB/Ag荧光粉在日光（上）和365 nm紫外光照射下（下）的实物照片。(L) Ag质量分数与PL强度的关系。

图2通过机制示意图、散射光斑、PL光谱、荧光显微图像，证明了亚微米Ag颗粒的强光散射效应，能够有效提升CsPbBr₃量子点荧光粉的PL强度、发光均匀性和发光效率。通过优化Ag颗粒的尺寸和含量，800 nm尺寸和质量分数0.5 wt%，实现了最高的PLQY（92.2%）。

图3 基于Ag颗粒导热性提升的热稳定性。(A) CPB与CPB/Ag荧光粉的变温PL光谱彩色等高线图。(B) CPB与CPB/Ag荧光粉样品在25°C至85°C加热过程（温度间隔10°C）中的光致发光照片。(C) CPB、Ag及CPB/Ag样品的热导率。(D) CPB与CPB/Ag荧光粉在85°C热老化测试180分钟过程中的光致发光强度衰减曲线。(E) CPB与CPB/Ag荧光粉在25°C与85°C之间进行10次加热-冷却循环的稳定性测试。本实验所用CPB/Ag荧光粉采用0.5 wt%、粒径800纳米的亚微米Ag颗粒制备。

图3通过高温PL光谱、热导率测量、长期热老化及冷热循环实验，证明了亚微米Ag颗粒的高导热性能显著提高CsPbBr₃量子点的发光热稳定性。研究发现，复合CsPbBr₃量子点的热导率为4.04 W m⁻¹·K⁻¹，显著高于纯CsPbBr₃量子点的0.26 W m⁻¹·K⁻¹，使工作过程中的焦耳热被有效导出。连续加热180 min，CsPbBr₃/Ag复合荧光粉保留了89.6的初始PL强度，而纯CsPbBr₃荧光粉仅保持了44.3%的初始PL强度。10次冷热循环测试结果表明CsPbBr₃/Ag复合荧光粉具有可忽略的衰减，而纯CsPbBr₃荧光粉损失了60.5%的PL强度。

图4白光LED的性能表征。(A) 由绿光CPB/Ag荧光粉与红光KSF荧光粉构成的白光LED器件的电致发光光谱。插图为对应白光LED器件的实物照片。(B) CIE色度图及(C) 描绘白光LED器件电致发光光谱时间演变的彩色等高线图。(D) 基于CPB及CPB/Ag荧光粉的白光LED器件的流明效率-电流关系曲线。(E) 白光LED器件的温度-电流关系曲线。(F) 基于CPB及CPB/Ag荧光粉的白光LED器件的电致发光强度随工作时间的衰减关系。(G) 基于CPB及CPB/Ag荧光粉的白光LED器件在冷却过程中的红外热成像图，并对中心芯片区域的温度进行了监测。

图4展示了白光LED器件的性能，具有色温（CCT）5592 K，显色指数（CRI）91和CIE色坐标(0.33, 0.34)。在高功率蓝光GaN LED驱动条件下（0.54 W，80 mA，6.7 V），CsPbBr₃/Ag器件具有100 lm W⁻¹的发光效率，远高于对比器件的62 lm W⁻¹。并且，在连续工作1000 h后，CsPbBr₃/Ag器件保持了83.5%的初始亮度，然而CsPbBr₃器件仅保持30.3%的初始亮度。

【全文小结】

1. 在环境大气中，通过快速、无溶剂原位固相的方法，成功合成了CsPbBr₃/Ag复合荧光粉。

2.亚微米银颗粒凭借其光散射效应与高导热性，协同提升了复合材料的发光强度与热稳定性。

3.白光LED展现出优异的稳定性，在连续工作1000 h后亮度仅衰减了16.5%。

4.本研究为提升钙钛矿荧光粉的稳定性并推动其在实际应用中提供了可行的思路。

【作者简介】

杨智，郑州大学物理学院学科特聘教授，入选国家万人计划青年拔尖人才。2010年获西安电子科技大学学士学位，2015年获西安交通大学博士学位。先后在新加坡南洋理工大学、美国北卡罗莱纳大学教堂山分校、斯坦福大学访问。主要从事量子点发光材料及闪烁体X射线成像研究，应用于医学成像、工业无损检测领域。主持国家自然科学基金、国防科技重点实验室基金，获陕西省自然科学二等奖，陕西高等学校科学技术一等奖。在Nature Communications、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Laser Photonics Reviews等期刊发表SCI论文80余篇，H因子33，引用超过3600余次，授权发明专利6项。

宋继中，郑州大学物理学院学科特聘教授。2011年获上海大学材料科学与工程专业硕士学位，2015年获南京航空航天大学材料科学专业博士学位。在发光显示领域，首次实现了铯铅卤量子点的电致发光，被Science、Nature Nanotechnology等评价为“首次（first）发展”、“发起了（initiated）”、“开启了（opened）”该LED体系。研究成果在Nature Photonics、Advanced Materials、Nature Communications、Angewandte Chemie International Editioin等期刊上发表SCI论文100余篇，被SCI他引20000余次，授权国家发明专利20项。获国家优秀青年基金、江苏省杰出青年基金、江苏省科学技术奖一等奖、中国新锐科技人物卓越影响奖等科技奖励和荣誉。2015、2017年连续指导第十四届（一等奖）、第十五届（特等奖）“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛，获第十五届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛优秀指导教师奖。