[发明专利]增强光合作用生物体中的生长的量子点LED

说明书

量子点(QD)LED可用于植物、藻类和光合作用细菌生长应用。QD LED采用固态LED(典型地发射蓝色或UV光)作为一次光源，以及一种或多种QD元件作为将一次光下变频的二次光源。可以将QD LED的发射特征调节为对应于一种或多种生物体的光合作用色素的吸收光谱。

相关申请的交叉引用：本申请要求在2012年4月5日提交的临时申请序列号61/620,678的优先权，其全部内容通过引用结合在此。

背景

1.发明领域。

本发明涉及量子点发光二极管。更具体地，它涉及可用于植物、藻类和细菌生长应用的量子点发光二极管。

2.背景。

发光二极管

在日常生活中，发光二极管(LED)的用途正在变得日益普遍。目前的用途包括一般照明，用于液晶显示器以及显示器屏幕的背光照明。发光二极管传统上由发射特定波长的无机半导体，例如AlGaInP(红色)、GaP(绿色)、ZnSe(蓝色)制成。其他形式的固态LED照明包括：有机发光二极管(OLED)，其中发射层是共轭的有机分子，使得离域π电子能够通过该材料传导；以及聚合物发光二极管(PLED)，其中有机分子是聚合物。固态照明(SSL)相对于传统白炽灯照明的优势包括：出色的寿命、由较少的作为热损失的能量导致的较低的能量消耗、出色的鲁棒性、耐久性和可靠性、以及更快的开关时间。然而，SSL是昂贵的，并且它难以产生高质量白光。已经探索了数种由固态LED产生白光的途径。白光可以通过使用三种以上不同波长例如具有红色、绿色和蓝色发射的LED产生高效率白光获得。然而，该方法是非常昂贵的并且难以制造纯白色光。其他途径将在电磁(EM)谱的UV或蓝色区域发射的LED与磷光体组合；磷光材料在比它们吸收的波长更长的波长发射，因为所吸收的辐射经历斯托克斯(Stokes)位移。一种这样的途径是使用UV或蓝色LED与许多磷光体例如红色和绿色磷光体分别如SrSi:Eu₂⁺和SrGaS₄:Eu₂⁺的组合。备选地，可以组合蓝色LED和黄色磷光体，制备较廉价的白光源，然而这样的材料的颜色控制和显色性指数通常是差的，这是由于LED和磷光体的可调性的缺乏。

已经提出量子点(QD)LED技术作为对一些传统固态LED的限制的解决方案。可以通过控制粒子尺寸，将QD，即尺度为2-50nm的半导体纳米粒子，调节为发射电磁谱的从UV至近IR区的任意波长。

已经广泛研究了II-VI硫属化物半导体纳米粒子，如ZnS、ZnSe、CdS、CdSe和CdTe。特别地，已经广泛研究了CdSe，这归因于它的光致发光在EM谱的整个可见光范围内的可调性。在现有技术中，描述了许多由“自下而上”的方式出发的可重现的、可规模化的合成，由此，从分子到簇到粒子，一个原子一个原子地合成粒子。这种方式使用“湿法化学”技术。

由于Cd的毒性，它对于商业应用而言是不适宜的，因此，已经对某些尝试做了探索，以寻找合适的备选的量子点半导体。一种这样的备选物是III-V半导体InP。尽管光致发光峰宽度不是和Cd系量子点的发光峰宽度一样窄，可以以商业规模合成具有小于60nm的半高全宽(FWHM)和大于90％的光致发光量子产率(PLQY)的InP系半导体纳米粒子。

量子点的独特性质来自它们的尺寸。当粒子尺寸减小时，表面与内部原子的比例增加；纳米粒子的大的表面积与体积比导致对材料性质具有强烈影响的表面性质。此外，当纳米粒子尺寸减小时，电子功函数开始被限制在越来越小的尺寸，使得纳米粒子的性质变得介于大块材料与单独的原子的性质之间，称为“量子限制”现象。当纳米粒子尺寸减小时，带隙变得更大，并且纳米粒子形成不连续的能级，而不是如在大块半导体中观察到的连续能带。因此，纳米粒子在比大块材料的能量更高的能量处发射。由于不能忽略的库仑相互作用，量子点具有比它们的大块对应物更高的动能，因此具有更窄的带宽度，并且当粒子尺寸减小时，带隙在能量上增加。