techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1528-2025-15-1-82-94techusgu-292Research ArticleФИЗИКАPHYSICSВлияние квантовых точек CdSe/CdS/ZnS на эффективность светодиодных устройствEffect of CdSe/CdS/ZnS quantum dots on the efficiency of LED deviceshttps://orcid.org/0000-0001-7089-0692КузьменкоА. П.KuzmenkoA. P.

Кузьменко Александр Павлович, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Регионального центра нанотехнологий

г. Курск

Aleksander P. Kuzmenko, Doctor of Science (Physics and Mathematics), Professor, Chief Researcher of the Regional Center of Nanotechnology

Kursk

apk3527@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1893-1941РодионовВ. В.RodionovV. V.

Родионов Владимир Викторович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Регионального центра нанотехнологий

г. Курск

Vladimir V. Rodionov, Candidate of Science (Physics and Mathematics), Senior Researcher of the Regional Center of Nanotechnology

Kursk

vovarodionov2009@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0004-8571-8544КолпаковА. И.KolpakovA. Ig.

Колпаков Артем Игоревич, аспирант

г. Курск

Artem Ig. Kolpakov, Post-Graduate Student

Kursk

https://orcid.org/0009-0005-4031-4957БелкинД. С.BelkinD. S.

Белкин Дмитрий Сергеевич, аспирант

г. Курск

Dmitry S. Belkin, Post-Graduate Student

Kursk

https://orcid.org/0009-0003-7351-3771ЕсаулковаЕ. Г.EsaulkovaE. G.

Есаулкова Елизавета Георгиевна, студент кафедры нанотехнологий, микроэлектроники, общей и прикладной физики

г. Курск

Elizabeth G. Esaulkova, Student of the Department of Nanotechnology, Microelectronics and Engineering Physics

Kursk

https://orcid.org/0000-0001-8110-9929СизовА. С.SizovA. S.

Сизов Александр Семёнович, доктор технических наук, профессор кафедры информационных систем и технологий

г. Курск

Alexander S. Sizov, Doctor of Sciences (Engineering), Professor of the Department Engineering Program

Kursk

https://orcid.org/0009-0003-4708-722XАникинД. П.AnikinD. P.

Аникин Дмитрий Петрович, генеральный директор

г. Армавир

Dmitry P. Anikin, General Manager

Armavir

Юго-Западный государственный университетРоссияSouthwest State UniversityRussian FederationЮго-Западный государственный университетРоссияSouth-west State UniversityRussian FederationЮго-Западный государственный университетRussian FederationSouthwestern State UniversityRussian FederationООО «РУСИД»РоссияLLC "RUSID"Russian Federation2025070420251518294Copyright © Кузьменко А.П., Родионов В.В., Колпаков А.И., Белкин Д.С., Есаулкова Е.Г., Сизов А.С., Аникин Д.П., 20252025Кузьменко А.П., Родионов В.В., Колпаков А.И., Белкин Д.С., Есаулкова Е.Г., Сизов А.С., Аникин Д.П.Kuzmenko A.P., Rodionov V.V., Kolpakov A.I., Belkin D.S., Esaulkova E.G., Sizov A.S., Anikin D.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/292

Цель исследования. Определить влияние красных коллоидных квантовых точек со структурой CdSe/CdS/ZnS на световую отдачу и индекс цветопередачи светодиодных устройств.Методы. Проведены микроскопические, флуоресцентные и микрорентгеноспектральные исследования силиконового композита с красными коллоидными квантовыми точками CdSe/CdS/ZnS и люминофорным порошком иттрий-алюминиевого граната в составе белых светодиодов с одним чипом InGaN в качестве источника возбуждения 453,7 нм. Гониофотометрические измерения пространственного распределения силы света совместно со спектроколориметром позволили определить световую отдачу и индекс цветопередачи белых светодиодов.Результаты. Полученная в данной работе порошковая смесь частиц иттрий-алюминиевого граната с нанесенными на их поверхность в виде островковой пленки красными коллоидными квантовыми точками со структурой CdSe/CdS/ZnS, стабилизированными триоктилфосфином и триоктилфосфиноксидом, и длинами волны максимумов люминесценции в диапазоне от 590 до 630 нм в условиях промышленного производства позволила изготовить более 100 белых SMD-светодиодов с улучшением световой отдачи на 11%. Для холодного и нейтрального белого света с координатами цветности от х = 0,332 и у = 0,318 до х = 0,404 и у = 0,401 в цветовом пространстве CIE 1931 индекс цветопередачи Ra белых светодиодов с квантовыми точками превышал 90 при значениях показателя красного цвета R9 от 63 до 81.Заключение. В данной работе показана эффективность использования для белых светодиодов красных коллоидных квантовых точек на основе полупроводников II-VI групп с квантовым выходом не менее 50% при контролируемой концентрации, соответствующей навеске порошка иттрий-алюминиевого граната, за счёт отсутствия сдвига люминесценции до ИК-области, свойственного нитридному люминофору CaAlSiN3. 

Purpose of research. To determine the influence of red colloidal quantum dots with the CdSe/CdS/ZnS structure on the luminous efficiency and color rendering index of LED devices.Methods. Microscopic, fluorescent and micro-X-ray studies of a silicone composite with red colloidal quantum dots CdSe/CdS/ZnS and phosphor powder of yttrium-aluminum garnet in white LEDs with a single InGaN chip as a 453.7 nm excitation source were carried out. Goniophotometric measurements of the spatial distribution of luminous intensity together with a spectrocolorimeter made it possible to determine the luminous efficiency and color rendering index of white LEDs.Results. The powder mixture of yttrium aluminum garnet particles obtained in this work with red colloidal quantum dots with a CdSe/CdS/ZnS structure stabilized with trioctylphosphine and trioctylphosphine oxide applied to their surface in the form of an island film and with wavelengths of luminescence maxima in the range from 590 to 630 nm under industrial production conditions made it possible to manufacture more than 100 white SMD LEDs with an improvement in luminous efficiency by 11%. For cold and neutral white light with chromaticity coordinates from x = 0.332 and y = 0.318 to x = 0.404 and y = 0.401 in the CIE 1931 color space, the color rendering index Ra of white LEDs with quantum dots exceeded 90 with red color index R9 values from 63 to 81.Conclusion. This paper shows the efficiency of using red quantum dots based on II-VI semiconductors for white LEDs with a quantum yield of at least 50% at a controlled concentration corresponding to the yttrium-aluminum garnet powder weight, due to the absence of a luminescence shift to the IR region, which is characteristic of the CaAlSiN3 nitride phosphor.

люминофорыиттрий-алюминиевый гранатквантовые точкибелый светодиодphosphorsyttrium-aluminum garnetquantum dotswhite LEDИсследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (г/з 2020 № 0851–2020–0035), в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет–2030» (Соглашение № 075–15–2021–1213).The study was carried out with the financial support of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation (G/Z 2020 No. 0851-2020-0035), as part of the implementation of the strategic academic leadership program “Priority-2030” (Agreement No. 075-15-2021-1213).ReferencesPimputkar S., Speck J. S., DenBaars S. P., Nakamura S. Prospects for LED lighting //Nature photonics. – 2009. – Т. 3. – №. 4. – С. 180-182. https://doi.org/10.1038/nphoton.2009.32Pimputkar S., Speck J. S., DenBaars S. P., Nakamura S. Prospects for LED lighting // Nature photonics. - 2009. - Vol. 3. - No. 4. - P. 180-182. https://doi.org/10.1038/nphoton.2009.32Кузьменко А. П., Аникин Д. П., Родионов В. В. Влияние структурных свойств люминофоров на повышение индекса цветопередачи белого светодиода // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2021. Т. 11, № 3. С. 93–108.Kuzmenko A. P., Anikin D. P., Rodionov V. V. Influence of structural properties of phosphors on increasing the color rendering index of a white LED // Bulletin of the South-West State University. Series: Engineering and Technology. 2021. Vol. 11, No. 3. P. 93–108.Yang Z., Li X., Yang Y., Li X. The influence of different conditions on the luminescent properties of YAG:Ce phosphor formed by combustion //Journal of Luminescence. – 2007. – Т. 122. – С. 707-709. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2006.01.266Yang Z., Li X., Yang Y., Li X. The influence of different conditions on the luminescent properties of YAG:Ce phosphor formed by combustion //Journal of Luminescence. - 2007. - Vol. 122. - P. 707-709. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2006.01.266Новиков Е. А., Кузьменко А. П., Родионов В. В., Емельянов В. М., Аникин Д. П., Неручев Ю. А. Влияние концентрации Ce3+ и размеров кристаллических частиц YAG на фотолюминесценцию //Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. – 2024. – Т. 14. – №. 1. – С. 59-75. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2024-14-1-59-75Novikov E. A., Kuzmenko A. P., Rodionov V. V., Emelianov V. M., Anikin D. P., Neruchev Yu. A. Influence of Ce3+ concentration and size of YAG crystalline particles on photoluminescence // Bulletin of the South-West State University. Series: Engineering and Technology. - 2024. - Vol. 14. - No. 1. - P. 59-75. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2024-14-1-59-75George N. C., Denault K. A., Seshadri R. Phosphors for solid-state white lighting //Annual Review of Materials Research. – 2013. – Т. 43. – С. 481-501. https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-073012-125702George N. C., Denault K. A., Seshadri R. Phosphors for solid-state white lighting //Annual Review of Materials Research. - 2013. - Vol. 43. - P. 481-501. https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-073012-125702Боровский Е. Светодиоды OSCONIQ S 3030 QD на квантовых точках// Современная светотехника. – 2019. – №. 5. – С. 14-15.Borovsky E. OSCONIQ S 3030 QD LEDs on quantum dots // Modern lighting engineering. - 2019. - No. 5. - P. 14-15.García de Arquer F. P., Talapin D. V., Klimov V. I., Arakawa Y., Bayer M., Sargent E. H. Semiconductor quantum dots: Technological progress and future challenges //Science. – 2021. – Т. 373. – №. 6555. – С. eaaz8541. https://doi.org/10.1126/science.aaz8541García de Arquer F. P., Talapin D. V., Klimov V. I., Arakawa Y., Bayer M., Sargent E. H. Semiconductor quantum dots: Technological progress and future challenges // Science. - 2021. - Vol. 373. - No. 6555. - P. eaaz8541. https://doi.org/10.1126/science.aaz8541Хофманн М., Рочева В. Новый светодиод для наружного освещения //Полупроводниковая светотехника. – 2021. – №. 3. – С. 4-7.Hofmann M., Rocheva V. New LED for outdoor lighting // Semiconductor lighting technology. - 2021. - No. 3. - P. 4-7.Wood V., Bulović V. Colloidal quantum dot light-emitting devices //Nano reviews. – 2010. – Т. 1. – №. 1. – С. 5202. https://doi.org/10.3402/nano.v1i0.5202Wood V., Bulović V. Colloidal quantum dot light-emitting devices // Nano reviews. - 2010. - Vol. 1. - No. 1. – P. 5202. https://doi.org/10.3402/nano.v1i0.5202 10. Eren G. O., Sadeghi S., Bahmani Jalali H., Ritter M., Han M., Baylam I., Nizamoglu S. Cadmium-free and efficient type-II InP/ZnO/ZnS quantum dots and their application for LEDs //ACS Applied Material s & Interfaces. – 2021. – T. 13. – No. 27. – pp. 32022-32030. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c08118.Eren G. O., Sadeghi S., Bahmani Jalali H., Ritter M., Han M., Baylam I., Nizamoglu S. Cadmium-free and efficient type-II InP/ZnO/ZnS quantum dots and their application for LEDs //ACS Applied Materials & Interfaces. – 2021. – Т. 13. – №. 27. – С. 32022-32030. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c08118.Jang E., Jun S., Jang H., Lim J., Kim B., Kim Y. White-light-emitting diodes with quantum dot color converters for display backlights //Advanced materials. – 2010. – T. 22. – No. 28. – pp. 3076-3080. https://doi.org/10.1002/adma.201000525 12. Kim N. H., Jeong J., Chae H. White Light Emission with Quantum Dots: A Review // Applied Science and Convergence Technology. – 2016. – T. 25. – No. 1. – pp. 1-6. https://doi.org/10.5757/ASCT.2016.25.1.1 13. Nizamoglu S., Mutlugun E., Özel T., Demir H. V., Sapra S., Gaponik N., Eychmüller A. Dual-color emitting quantum-dot-quantum-well CdSe-ZnS heteronanocrystals hybridized on InGaN∕ Ga N light emitting diodes for high-quality white light generation //Applied Physics Letters. – 2008. – T. 92. – No. 11. https://doi.org/10.1063/1.2898892 14. Onal A., Eren G. O., Sadeghi S., Melikov R., Han M., Karatum O., Nizamoglu S. High-performance white light-emitting diodes over 150 lm/W using near-unity-emitting quantum dots in a liquid matrix //ACS Photonics. – 2022. – T. 9. – No. 4. – pp. 1304-1314. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.1c01805.Jang E., Jun S., Jang H., Lim J., Kim B., Kim Y. White‐light‐emitting diodes with quantum dot color converters for display backlights //Advanced materials. – 2010. – Т. 22. – №. 28. – С. 3076-3080. https://doi.org/10.1002/adma.201000525Song W. S., Yang H. Efficient white-light-emitting diodes fabricated from highly fluorescent copper indium sulfide core/shell quantum dots // Chemistry of Materials. – 2012. – T. 24. – No. 10. – S. 1961-1967. https://doi.org/10.1021/cm300837z 16. Onal A., Eren G. O., Melikov R., Kaya L., Nizamoglu S. Quantum Dot Enabled Efficient White LEDs for Wide Color Gamut Displays //Advanced Materials Technologies. – 2023. – T. 8. – No. 9. – P. 2201799. https://doi.org/10.1002/admt.202201799 17. Dai X., Zhang Z., Jin Y., Niu Y., Cao H., Liang X., Peng X. Solution-processed, high-performance light-emitting diodes based on quantum dots // Nature. – 2014. – V. 515. – № 7525. – P. 96-99. https://doi.org/10.1038/nature13829Kim N. H., Jeong J., Chae H. White Light Emission with Quantum Dots: A Review //Applied Science and Convergence Technology. – 2016. – Т. 25. – №. 1. – С. 1-6. https://doi.org/10.5757/ASCT.2016.25.1.1Jun S., Lee J., Jang E. Highly luminescent and photostable quantum dot–silica monolith and its application to light-emitting diodes //Acs Nano. – 2013. – V. 7. – №. 2. – P. 1472-1477.Nizamoglu S., Mutlugun E., Özel T., Demir H. V., Sapra S., Gaponik N., Eychmüller A. Dual-color emitting quantum-dot-quantum-well CdSe-ZnS heteronanocrystals hybridized on InGaN∕ GaN light emitting diodes for high-quality white light generation //Applied Physics Letters. – 2008. – Т. 92. – №. 11. https://doi.org/10.1063/1.2898892Oglukova K. D., Rodionov V. V. Production of luminescent nanoparticles with quantum dots. – JSC “University Book” Conference: Current Issues in Science, Nanotechnology, and Production Kursk, December 14, 2023 Organizers: South-West State UniversityOnal A., Eren G. O., Sadeghi S., Melikov R., Han M., Karatum O., Nizamoglu S. High-performance white light-emitting diodes over 150 lm/W using near-unity-emitting quantum dots in a liquid matrix //ACS Photonics. – 2022. – Т. 9. – №. 4. – С. 1304-1314. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.1c01805.Trepachev A. V., Rodionov V. V., Anikin D. P. Study of the Spectral Characteristics of a Photocell // Current Issues in Science, Nanotechnology, and Production. – 2021. – pp. 246-249.Song W. S., Yang H. Efficient white-light-emitting diodes fabricated from highly fluorescent copper indium sulfide core/shell quantum dots //Chemistry of Materials. – 2012. – Т. 24. – №. 10. – С. 1961-1967. https://doi.org/10.1021/cm300837zErdem T., Nizamoglu S., Sun X. W., Demir H. V. A photometric investigation of ultra-efficient LEDs with high color rendering index and high luminous efficacy employing nanocrystal quantum dot luminophores // Optics Express. – 2010. – Vol. 18. – No. 1. – pp. 340-347. https://doi.org/10.1364/OE.18.000340Onal A., Eren G. O., Melikov R., Kaya L., Nizamoglu S. Quantum Dot Enabled Efficient White LEDs for Wide Color Gamut Displays //Advanced Materials Technologies. – 2023. – Т. 8. – №. 9. – С. 2201799. https://doi.org/10.1002/admt.202201799Zhang Z., Ye Y., Pu C., Deng Y., Dai X., Chen X., Jin Y. High-performance, solution-processed, and insulating-layer-free light-emitting diodes based on colloidal quantum dots //Advanced Materials. – 2018. – T. 30. – No. 28. – P. 1801387. https://doi.org/10.1002/adma.201801387Dai X., Zhang Z., Jin Y., Niu Y., Cao H., Liang X., Peng X. Solution-processed, high-performance light-emitting diodes based on quantum dots // Nature. – 2014. – Т. 515. – № 7525. – С. 96-99. https://doi.org/10.1038/nature13829Xu M., Chen D., Lin J., Lu X., Deng Y., He S., Jin Y. Quantum-dot light-emitting diodes with Fermi-level pinning at the hole-injection/hole-transporting interfaces //Nano Research. – 2022. – T. 15. – No. 8. – pp. 7453-7459. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4260-3Jun S., Lee J., Jang E. Highly luminescent and photostable quantum dot–silica monolith and its application to light-emitting diodes //Acs Nano. – 2013. – Т. 7. – №. 2. – С. 1472-1477.Tian Y., Qin Z. Y., Zou S. J., Li Y. Q., Wang Y., Wang W., Tang J. X. Efficient quantum-dot light-emitting diodes featuring the interfacial carrier relaxation and exciton recycling // Materials Today Energy. – 2021. – T. 20. – P. 100649. https://doi.org/10.1016/j.mtener.2021.100649Оглукова К. Д., Родионов В. В. Получение люминесцентных наночастиц с квантовыми точками. – ЗАО «Университетская книга» конференция: Актуальные вопросы науки, нанотехнологий, производства Курск, 14 декабря 2023 года Организаторы: Юго-Западный государственный университетОглукова К. Д., Родионов В. В. Получение люминесцентных наночастиц с квантовыми точками. – ЗАО «Университетская книга» конференция: Актуальные вопросы науки, нанотехнологий, производства Курск, 14 декабря 2023 года Организаторы: Юго-Западный государственный университетТрепачев А. В., Родионов В. В., Аникин Д. П. Исследование спектральной характеристики фотоэлемента //Актуальные вопросы науки, нанотехнологий, производства. – 2021. – с. 246-249.Трепачев А. В., Родионов В. В., Аникин Д. П. Исследование спектральной характеристики фотоэлемента //Актуальные вопросы науки, нанотехнологий, производства. – 2021. – с. 246-249.Erdem T., Nizamoglu S., Sun X. W., Demir H. V. A photometric investigation of ultra-efficient LEDs with high color rendering index and high luminous efficacy employing nanocrystal quantum dot luminophores //Optics Express. – 2010. – Т. 18. – №. 1. – С. 340-347. https://doi.org/10.1364/OE.18.000340Erdem T., Nizamoglu S., Sun X. W., Demir H. V. A photometric investigation of ultra-efficient LEDs with high color rendering index and high luminous efficacy employing nanocrystal quantum dot luminophores //Optics Express. – 2010. – Т. 18. – №. 1. – С. 340-347. https://doi.org/10.1364/OE.18.000340Zhang Z., Ye Y., Pu C., Deng Y., Dai X., Chen X., Jin Y. High‐performance, solution‐processed, and insulating‐layer‐free light‐emitting diodes based on colloidal quantum dots //Advanced Materials. – 2018. – Т. 30. – №. 28. – С. 1801387. https://doi.org/10.1002/adma.201801387Zhang Z., Ye Y., Pu C., Deng Y., Dai X., Chen X., Jin Y. High‐performance, solution‐processed, and insulating‐layer‐free light‐emitting diodes based on colloidal quantum dots //Advanced Materials. – 2018. – Т. 30. – №. 28. – С. 1801387. https://doi.org/10.1002/adma.201801387Xu M., Chen D., Lin J., Lu X., Deng Y., He S., Jin Y. Quantum-dot light-emitting diodes with Fermi-level pinning at the hole-injection/hole-transporting interfaces //Nano Research. – 2022. – Т. 15. – №. 8. – С. 7453-7459. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4260-3Xu M., Chen D., Lin J., Lu X., Deng Y., He S., Jin Y. Quantum-dot light-emitting diodes with Fermi-level pinning at the hole-injection/hole-transporting interfaces //Nano Research. – 2022. – Т. 15. – №. 8. – С. 7453-7459. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4260-3Tian Y., Qin Z. Y., Zou S. J., Li Y. Q., Wang Y., Wang W., Tang J. X. Efficient quantum-dot light-emitting diodes featuring the interfacial carrier relaxation and exciton recycling //Materials Today Energy. – 2021. – Т. 20. – С. 100649. https://doi.org/10.1016/j.mtener.2021.100649Tian Y., Qin Z. Y., Zou S. J., Li Y. Q., Wang Y., Wang W., Tang J. X. Efficient quantum-dot light-emitting diodes featuring the interfacial carrier relaxation and exciton recycling //Materials Today Energy. – 2021. – Т. 20. – С. 100649. https://doi.org/10.1016/j.mtener.2021.100649

The authors declare that there are no conflicts of interest present.