铜掺杂CdS/ZnS核壳量子点的光致发光特性及其在LED应用中的研究

研究人员针对Cu掺杂CdS/ZnS量子点（QDs）的发光机制不明确、温度依赖性数据缺失等问题，通过稳态/瞬态荧光技术系统研究了其光致发光（PL）特性。发现580 nm发射峰、242.42 ns寿命及26.3 meV激子结合能，证实声子耦合效应，并成功制备色坐标(0.46,0.43)的黄光LED，为荧光材料设计提供新思路。

　　

在纳米光子学领域，量子点（QDs）因其可调的发光特性成为新一代光电器件的核心材料。其中，CdS/ZnS核壳结构量子点通过ZnS壳层包裹有效减少了CdS核心的表面缺陷，但单纯的核壳结构仍存在发光效率不足、稳定性有限等问题。过渡金属离子掺杂被视为突破这一瓶颈的关键策略——铜（Cu）离子因其独特的电子陷阱机制，能显著改变载流子复合路径，但关于Cu在CdS/ZnS量子点中的具体作用机制，尤其是温度依赖性的发光行为，此前尚未有系统研究。

黑龙江大学电子工程学院的研究团队在《Journal of Luminescence》发表论文，通过热注射法合成Cu掺杂CdS/ZnS量子点，结合稳态/时间分辨荧光光谱（TRPL）等技术，首次揭示了该材料从80 K至300 K的温度依赖发光规律。研究发现，405 nm激发下量子点产生580 nm的黄色发光，平均荧光寿命达242.42 ns。随着温度升高，发光强度逐渐降低且峰位红移，证实激子与纵光学声子（LO phonon）的耦合作用，由此计算出26.3 meV的激子结合能和55.54 meV的声子能量。时间分辨荧光显示寿命从80 K的477.13 ns降至300 K的272.75 ns，揭示了非辐射跃迁过程的影响。最终，团队将量子点与商用LED芯片结合，成功制备出色坐标(0.46,0.43)的黄光器件。

关键技术包括：1）热注射法合成Cu掺杂CdS/ZnS核壳量子点；2）稳态荧光光谱分析温度依赖性PL特性；3）时间相关单光子计数（TCSPC）测量荧光寿命；4）透射电镜（TEM）表征纳米颗粒形貌。

【结构表征与基础光学特性】
透射电镜显示量子点平均尺寸为2.39 nm，高分辨图像观察到清晰的晶格条纹。吸收光谱显示Cu掺杂导致带边吸收峰红移，证实Cu⁺成功进入CdS晶格。

【温度依赖性PL研究】
低温下（80 K）PL强度最大，随温度升高呈现两阶段下降：80-160 K区间由声子散射主导，160-300 K区间由热激活缺陷捕获主导。Varshni方程拟合得到特征温度参数为110 K。

【荧光寿命分析】
双指数拟合显示短寿命成分（τ₁=2.8 ns）来自CdS本征激子发射，长寿命成分（τ₂=242.42 ns）源于Cu相关的陷阱态复合，二者比例随温度变化揭示载流子输运机制转变。

【LED应用验证】
量子点薄膜在蓝光芯片激发下实现色纯度达92%的黄光发射，CIE坐标接近标准黄色区域，证实其器件应用潜力。

该研究不仅阐明了Cu掺杂对CdS/ZnS量子点发光动力学的调控机制，更通过系统的温度依赖性分析为材料在宽温域应用提供理论依据。所开发的黄光LED器件展现出优异的色度性能，为量子点在固态照明和显示技术的产业化应用开辟了新路径。