CN113416539A - 高量子产率可溶液加工的固体蓝色荧光-红色磷光碳量子有机框架及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及荧光‑磷光碳纳米材料领域,具体涉及高量子产率的可溶液加工的固体蓝色荧光‑红色磷光的碳量子有机框架及其制备和应用。以均苯三酸、磷酸胍与3,4,9,10‑苝四羧酸二酐为碳源前驱体,在酸性条件下通过溶剂热法即可得到可溶液加工的固体蓝色荧光‑红色磷光碳量子有机框架。本发明制备的蓝色荧光‑红色磷光的固体碳量子有机框架是以碳量子点为核心连接具有π‑通道的链形成的网状结构,具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及荧光-磷光碳纳米材料领域,具体涉及高量子产率可溶液加工的固体蓝色荧光-红色磷光碳量子有机框架及其制备和应用。
背景技术
碳量子点(Carbon Quantum Dots,CQDs)作为一类尺寸大小小于10nm的新型碳纳米材料,由于其几乎没有毒性、生物兼容性良好、成本低、荧光发射稳定等优点,在光电器件和生物医学等领域具有广泛的应用前景。更重要的是,纳米尺度的CQDs由于完整的sp2共轭平面,具有明显的带隙依赖的荧光可调性,即可通过改变CQDs的尺寸大小调控其发射波长。相比于传统的重金属掺杂的半导体量子点以及制作工艺复杂的有机小分子而言,低成本且高效发射的CQDs可作为发展下一代高性能、广色域的显示技术的理想替代材料。
电致发光二极管(Light-Emitting Diodes,LEDs)是将电能直接转换成光能的光电器件,其具有高的能量转换效率,高的亮度,稳定且长的寿命,简便体积小等优点,引起了科学家们广泛的研究兴趣,被普遍应用于发展下一代全色显示。通过将发光材料直接作为活性层,在正向电压驱动下,电子和空穴分别注入电极之间的有机发光层中复合形成激子,辐射跃迁发出各色光。目前,高色纯度,窄发射的多色荧光CQDs已经被广泛合成,并且可以直接作为活性发光层应用于电致LEDs,其表现出极好的稳定性和色纯度,这为发展下一代基于CQDs的高效电致LEDs提供了可能。
然而,美中不足的是,CQDs是一个有限的sp2共轭平面结构,在电激发下,激子通常被认为更强地局限在单个点上,这导致了单线态和三线态之间的很大的能量差。当激子的自旋波函数由两个自旋-1/2的电荷组成时,由于自旋方向的不同,统计分裂为25%的单重态激子和75%的三重态激子。成比例的激子被直接分配到激发态,达到最低单线态激发态(S1)发射荧光和最低三重激发态(T1)发射磷光,这极大的减少了由于自旋禁阻的系间窜跃过程导致的非辐射复合。在CQDs的量子产率接近100%,并且优化空穴传输层和主体材料,使得注入的空穴和电子1:1完全平衡的情况下,基于荧光发射CQDs的电致LEDs仅能捕获25%的单线态激子,其外量子效率最多只能达到5%。毫无疑问,提升基于碳量子点的电致LEDs的光电效率最理想的方法就是利用非辐射损失的75%的三重态激子,制备出可进行高效三线态发射的碳量子点,这在光学器件领域中具有突破性的意义。
由三线态激发态向单线态辐射跃迁产生磷光发射的CQDs可以通过同时捕获25%的单线态激子和75%的三线态激子来显著提高的外量子效率,实现接近100%的内量子效率。目前文献报道的增强CQDs磷光发射的方法主要有氮氧重原子官能团的修饰,基质的掺杂,氢键和卤键的调控以及分子结构设计。其中CQDs结构调控包括自身及外部的结构调控。CQDs自身的结构调控包括尺寸、形貌、边缘官能团调控,通过有效地降低电子和声子的耦合,增强其量子产率,缩小半峰宽,得到多色的高效窄发射荧光CQDs。CQDs外部的结构调控包括在其边缘连接链状或网状结构。这可以有效调控其电子云的分布进而改变其HOMO和LUMO能级,并且降低分子的转动和振动,增强自旋轨道耦合能力,实现单线态和三线态的能级调控以及高效的三线态磷光发射。然而,迄今为止所获得的所有磷光发射的CQDs均局限于黄色发射;更糟糕的是,它们具有极低的溶解度,较长的磷光寿命以及低的磷光量子产率,这极大的限制了磷光CQDs在电致发光二极管中的应用。
目前,虽然以尿素为前驱体能够显著提高羰基官能团的含量,制备出单组份发射的黄色磷光碳量子点,但是其量子产率相对较低(25%),固体难溶且无法溶液加工。因此制备出一种可进行溶液加工,量子产率高,磷光寿命短,发射波长长的磷光碳量子点是发展高效电致LEDs的必经之路,且仍存在较大的挑战。
发明内容
本发明的目的是提供一种高量子产率的可溶液加工的固体蓝色荧光-红色磷光的碳量子有机框架。
本发明的再一目的是提供上述碳量子有机框架材料的制备方法。
本发明的再一目的是提供上述碳量子有机框架的应用。
本发明通过一步溶剂热法即可得到蓝色荧光-红色磷光的碳量子有机框架溶液,进一步优化可得高量子产率的蓝色荧光-红色磷光的碳量子有机框架固体,其荧光-磷光发射峰不随激发波长的改变而改变,且其总量子产率在最优条件下高达42.3%,红色磷光量子产率在最优条件下高达19.1%。本发明的方法简单,结构新颖,性能优越,适合磷光碳量子点的制备。
本发明的再一目的在于将制备的高量子产率的可溶液加工的固体蓝色荧光-红色磷光的碳量子有机框架材料应用于电致发光二极管器件。
根据本发明的高量子产率的可溶液加工的固体蓝色荧光-红色磷光的碳量子有机框架,可通过包括以下步骤的方法制备:
以质量比为20:10:1的均苯三酸、磷酸胍与3,4,9,10-苝四羧酸二酐为碳源前驱体,超声使其溶于N,N-二甲基甲酰胺溶液中,加入硫酸作为催化剂,然后将上述溶液转移到反应釜中,在200℃条件下溶剂热反应4小时,然后使反应釜自然冷却到室温,从而直接得到蓝色荧光-红色磷光的碳量子有机框架溶液。
根据本发明的具体实施方式,以质量比为20:10:1的均苯三酸、磷酸胍与3,4,9,10-苝四羧酸二酐为碳源前驱体,超声搅拌使其充分溶于有机溶剂N,N-二甲基甲酰胺中,例如,以0.01-1g均苯三酸、0.01-1g磷酸胍与0.01-1g 3,4,9,10-苝四羧酸二酐为碳源前驱体,超声搅拌使其充分溶于5-20mL有机溶剂N,N-二甲基甲酰胺中。在上述碳源前驱体溶液中加入浓硫酸作为反应催化剂。N,N-二甲基甲酰胺与碳源前驱体的体积质量比mL/mg为7:1~1:3。催化剂与碳源前驱体的体积质量比mL/mg为1:2~1:20。然后将上述溶液转移到聚四氟乙烯为内衬的不锈钢高压反应釜中。在200℃条件下溶剂热反应4小时,然后使反应釜自然冷却到室温,从而得到外观为浅蓝色的碳量子有机框架溶液。
根据本发明的具体实施方式,收集上述反应后的溶液,用20-100mLl碱性水溶液(0.01摩尔每升氢氧化钠或氢氧化钾或碳酸钠水溶液等)中和至中性。然后过滤,取滤液置于透析袋(1000-3500Da)中在去离子水中透析两天,每隔三小时换一次去离子水。透析完后,收集透析袋里的溶液,硅胶柱提纯得到碳量子有机框架结构的固体粉末。本发明制备的碳量子有机框架结构的固体粉末在常见的极性有机溶剂如苯,氯苯,邻二氯苯等中有良好的溶解性。
下面对本发明做进一步解释和说明。
本发明是为了解决目前报道的碳量子点固体不溶解,无法进行溶液加工,磷光发射往往表现出激发依赖的缺陷态特性、及激发不依赖的本征态发射量子产率低,发射波长短和发射寿命长的问题,提出了一种高量子产率的可溶液加工的固体蓝色荧光-红色磷光的碳量子有机框架、制备方法及其应用。
根据本发明的技术方案,选用均苯三酸、磷酸胍与3,4,9,10-苝四羧酸二酐为碳源前驱体,通过调控前驱体3,4,9,10-苝四羧酸二酐的反应位点以及均苯三酸和磷酸胍的酰胺键的连接,控制溶剂热反应条件如反应时间,反应温度,加入催化剂等,合成高量子产率可溶液加工的固体蓝色荧光-红色磷光的碳量子有机框架结构。
根据本发明的溶剂热制备方法,其中,反应溶剂N,N-二甲基甲酰胺对制备出高量子产率可溶液加工的固体蓝色荧光-红色磷光的碳量子有机框架结构非常重要。如果反应溶剂换成丙酮,乙酸乙酯,二氯甲烷等其他溶剂,其他反应条件保持一致,均得不到高量子产率可溶液加工的固体蓝色荧光-红色磷光的碳量子有机框架结构。
根据本发明的溶剂热制备方法,其中,浓硫酸作为催化剂加入反应体系对于调节碳量子有机框架结构的形成和本征态红色磷光的发射波长起着非常重要的作用。如果没有加入浓硫酸作为催化剂,通过改变其他反应条件如温度,时间等都无法合成出蓝色荧光-红色磷光的碳量子有机框架结构。
本发明制备的碳量子有机框架结构具有可溶液加工,量子产率高,电荷传输高且匹配等特点。本发明制备的上述高量子产率可溶液加工的固体蓝色荧光-红色磷光的碳量子有机框架结构在光电器件、生物医学以及传感器等领域具有广泛的应用前景。将其应用于电致发光二极管器件,相对于以荧光发射的碳量子点为发光层制备的电致发光二极管器件,具有启亮电压低,亮度高,外量子效率高等优点,有望作为低成本,环境友好的新型磷光发光材料应用于电致发光二极管领域。
附图说明
图1为实施例1中所制备的固体红色磷光碳量子有机框架结构在不同波长激发下的光谱图;
图2为实施例1中所制备的固体红色磷光碳量子有机框架结构的紫外吸收光谱图;
图3为实施例1中所制备的固体红色磷光碳量子有机框架结构的时间分辨荧光光谱图;
图4为实施例1中所制备的固体红色磷光碳量子有机框架结构的时间分辨磷光光谱图;
图5为实施例1中所制备的固体红色磷光碳量子有机框架结构的扫描电子显微镜电镜图;
图6为实施例1中所制备的固体红色磷光碳量子有机框架结构的透射电子显微镜电镜图;
图7为实施例1中所制备的固体红色磷光碳量子有机框架结构的原子力显微镜图;
图8为实施例1中所制备的固体红色磷光碳量子有机框架结构的拉曼光谱图;
图9为实施例1中所制备的固体红色磷光碳量子有机框架结构的X-射线光电子能谱图;
图10为实施例1中所制备的固体红色磷光碳量子有机框架结构的红外光谱图;
图11为实施例1中所制备的薄膜红色磷光碳量子有机框架结构的紫外吸收光谱图;
图12为实施例1中所制备的薄膜红色磷光碳量子有机框架结构在不同波长激发下的光谱图;
图13为实施例1中所制备的薄膜红色磷光碳量子有机框架结构的时间分辨荧光光谱图;
图14为实施例1中所制备的固体薄膜磷光碳量子有机框架结构的时间分辨磷光光谱图;
图15为实施例1中所制备的薄膜红色磷光碳量子有机框架结构的扫描电子显微镜电镜图;
图16为实施例1中所制备的薄膜红色磷光碳量子有机框架结构的原子力显微镜图;
图17为实施例1中所制备的红色磷光碳量子有机框架结构的电子传输曲线图;
图18为实施例1中所制备的红色磷光碳量子有机框架结构的空穴传输曲线图;
图19为实施例2中所制备的红色电致发光二极管器件结构;
图20为实施例2中所制备的红色电致发光二极管随电压变化的发光光谱图;
图21为实施例2中所制备的红色电致发光二极管电流密度-电压-亮度特性曲线图;
图22为实施例2中所制备的红色电致发光二极管电流效率-电流密度特性曲线图;
图23为实施例2中所制备的红色电致发光二极管外量子效率-电压特性曲线图;
图24为实施例2中所制备的红色电致发光二极管色坐标图;
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1、高量子产率可溶液加工的固体蓝色荧光-红色磷光的碳量子有机框架结构的制备
称取质量比为20:10:1的均苯三酸、磷酸胍与3,4,9,10-苝四羧酸二酐固体为碳源前驱体,超声搅拌溶解于15ml N,N-二甲基甲酰胺中。在反应体系中加入了1mL浓硫酸作为反应催化剂。将上述溶液转移至25mL容积的聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中,拧紧釜盖。在200℃条件下溶剂热反应4小时,然后使反应釜自然冷却到室温,从而得到外观为浅蓝色的碳量子点有机框架N,N-二甲基甲酰胺溶液,然后用20mL 0.01摩尔每升氢氧化钠水溶液中和至中性,然后过滤,取滤液置于透析袋(1000Da)中在去离子水中透析两天,每隔三小时换一次去离子水。透析完后,收集透析袋里的溶液,硅胶柱提纯得到碳量子点有机框架固体粉末。
碳量子点有机框架粉末在手提紫外灯(365nm)下发出的蓝紫色荧光,不同于报道的激发依赖的缺陷态发射特性的碳点,其表现出激发不依赖的本征态发射特性(图1),其荧光和磷光发射峰分别位于410nm和625nm,并且特征激子吸收峰位于390nm(图2)。时间分辨光谱表明蓝光荧光为单指数衰减,荧光寿命为6.5ns(图3),红光磷光寿命为901.3μs(图4),表现出明显的短寿命磷光发射性质。测得绝对总量子产率高达42.3%,磷光量子产率高达19.1%。
大范围的扫描隧道显微镜观察到尺寸为100-150nm的块状固体(图5),进一步的透射电子显微镜观察到相距3-10nm的碳量子点分布均匀,其平均粒径为2.0nm(图6),高分辨透射电子显微镜表明碳量子点具有高结晶度,缺陷少。原子力显微镜进一步表明碳量子点为核心连接具有π-通道的链形成的网状结构(图7)。碳点拉曼光谱中IG/ID比值为高达1.4(图8),说明碳点石墨化程度较高,与高分辨透射电子显微镜表征的高结晶度一致。
X射线光电子能谱结果表明碳点主要由C,N,O三种元素组成,其中O,N原子百分含量分别为29.14和12.59%(图9)。固体红外光谱证明碳量子点有机框架中存在氨基,羟基,羰基等官能团(图10)。氮和氧元素的掺杂对碳量子点有机框架的量子产率的提高和磷光发射的产生起着非常重要的调控作用。
将碳量子点有机框架制备成薄膜后,其特征激子吸收峰发生红移位于410nm(图11),对应荧光发射峰发生红移位于428nm,磷光发射峰基本保持625nm不变(图12)。时间分辨光谱表明蓝光荧光为单指数衰减,荧光寿命为6.7ns(图13),红光磷光寿命为1087.1μs(图14),表现出明显的短寿命磷光发射性质。薄膜的碳量子有机框架结构的原子力显微镜(图15)和扫描隧道显微镜(图16)表明碳量子点有机框架形成的薄膜光滑平整,有利于其应用在电致发光二极管中。测定其电荷传输能力,电子(图17)和空穴迁移率(图18)分别达到1.26×10-3and 3.15×10-3cm2 V-1s-1,高且匹配的电子和空穴迁移率有利于电荷的传输和复合,这对于高效电致发光起着关键作用。
实施例2、基于红色磷光碳量子点有机框架结构的电致发光二极管的制备
将实施例1制备的高量子产率可溶液加工的固体蓝色荧光-红色磷光的碳量子有机框架结构作为活性发光层应用于单色电致发光二极管。如图19所示,发光二极管器件结构从下到上依次包括透明玻璃衬底(glass),阳极层(ITO),空穴注入层聚3,4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS),活性发光层(高量子产率的红色磷光碳量子有机框架),电子传输层1,3,5-三(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)苯(TPBI),阴极层(LiF/Al)。电致发光二极管器件结构描述为:ITO/PEDOT:PSS/CDOFs/TPBi/LiF/Al.
单色电致发光二极管器件制备方法如下:
(1)利用丙酮溶液、异丙醇溶液和去离子水对透明导电基片ITO玻璃进行超声清洗,清洗后用干燥氮气吹干。然后在150℃烘箱中烘10min.其中玻璃衬底上面的ITO膜作为器件的阳极层;
(2)将干燥后的基片移入真空室,在氧气压环境下对ITO玻璃进行紫外臭氧预处理15min;
(3)在处理后的ITO上旋涂PEDOT:PSS,转速为2000转每分(rpm),旋涂时间35s,厚度为40nm。然后在150℃烘箱中退火15min;
(4)在PEDOT:PSS层上旋涂红色磷光碳量子有机框架邻二氯苯溶液,转速为3000rpm,旋涂时间45s,厚度为10nm。然后在80℃烘箱中退火30min;
(5)然后将ITO转移至氮气手套箱中。真空蒸镀40nm TPBI,气压为3×10-4Pa,蒸镀速率为0.l nm/s,蒸镀速率及厚度由膜厚仪监控;
(6)然后真空蒸镀10nm LiF,100nmAl,气压为3×10-4Pa,蒸镀速率为0.l和0.3nm/s,蒸镀速率及厚度由膜厚仪监控;
(7)器件未进行封装,直接测试器件的电流-电压-亮度特性,同时测试器件的发光光谱参数;
红色发射二极管的电致发光光谱可以明显观察到有两个发射峰,位于425和625nm,分别来自于碳量子有机框架结构的蓝色荧光和红色磷光(图20),且发射峰位置不随电压变化而变化,非常稳定。器件的电流密度-电压-亮度特性曲线如图21。单光二极管可以实现3.3V的低开启电压,最大亮度为1818cd/m2,最大电流效率为4.0cd/A(图22),最大外量子效率为5.6%(图23),发光光谱色度坐标为(0.30,0.33)(图24)。
Claims (10)
1.高量子产率可溶液加工的固体蓝色荧光-红色磷光碳量子有机框架,其特征在于,所述高量子产率可溶液加工的固体蓝色荧光-红色磷光碳量子有机框架通过包括以下步骤的方法制备:
以质量比为20:10:1的均苯三酸、磷酸胍与3,4,9,10-苝四羧酸二酐为碳源前驱体,超声使其溶于N,N-二甲基甲酰胺溶液中,加入硫酸作为催化剂,然后将上述溶液转移到反应釜中,在200℃条件下溶剂热反应4小时,然后使反应釜自然冷却到室温,从而直接得到蓝色荧光-红色磷光的碳量子有机框架溶液。
2.根据权利要求1所述的高量子产率可溶液加工的固体蓝色荧光-红色磷光碳量子有机框架,其特征在于,收集蓝色荧光-红色磷光的碳量子有机框架溶液,然后用碱中和,去离子水透析,提纯得到蓝色荧光-红色磷光碳量子有机框架固体粉末。
3.根据权利要求2所述的高量子产率可溶液加工的固体蓝色荧光-红色磷光碳量子有机框架,其特征在于,所述碱为氢氧化钠。
4.根据权利要求1所述的高量子产率可溶液加工的固体蓝色荧光-红色磷光碳量子有机框架,其特征在于,所述催化剂与碳源前驱体的体积质量比mL/mg为1:2~1:20。
5.根据权利要求1所述的高量子产率可溶液加工的固体蓝色荧光-红色磷光碳量子有机框架,其特征在于,所述N,N-二甲基甲酰胺与碳源前驱体的体积质量比mL/mg为7:1~1:3。
6.一种制备高量子产率可溶液加工的固体蓝色荧光-红色磷光碳量子有机框架的方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
以质量比为20:10:1的均苯三酸、磷酸胍与3,4,9,10-苝四羧酸二酐为碳源前驱体,超声使其溶于N,N-二甲基甲酰胺溶液中,加入硫酸作为催化剂,然后将上述溶液转移到反应釜中,在200℃条件下溶剂热反应4小时,然后使反应釜自然冷却到室温,从而直接得到蓝色荧光-红色磷光的碳量子有机框架溶液。
7.根据权利要求6所述的制备高量子产率可溶液加工的固体蓝色荧光-红色磷光碳量子有机框架的方法,其特征在于,所述方法还包括步骤:
收集上述反应后的溶液,然后用碱中和,去离子水透析,提纯得到蓝色荧光-红色磷光的碳量子有机框架固体粉末。
8.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述催化剂与所述碳源前驱体的体积质量比mL/mg为1:2~1:20。
9.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述N,N-二甲基甲酰胺与所述碳源前驱体的体积质量比mL/mg为7:1~1:3。
10.权利要求1所述的高量子产率可溶液加工的固体蓝色荧光-红色磷光碳量子有机框架用于电致发光二极管的应用。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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