本发明涉及一种转换元件。此外，本发明涉及一种光电子器件，所述光电子器件尤其包括转换元件。此外，本发明包括一种用于制造转换元件的方法。
背景技术：
通常，转换元件具有转换材料，例如量子点。转换材料将由辐射源发射的辐射转换为具有改变的、例如更长的波长的辐射。转换材料通常分散到基于聚合物的基体材料中，以便得到呈可工艺处理的形式的转换材料。然而，基于聚合物的基体材料示出如下缺点，所述基体材料对于出自环境中的湿气和/或氧气和/或酸性气体是可渗透的。此外，基于聚合物的基体材料具有小的老化稳定性。另一方面，转换材料在基体材料中的均匀的且可控制的分布是难于调节的。
技术实现要素：
本发明的目的是，提供一种转换元件，所述转换元件具有改善的特性。尤其，应提供一种转换元件，所述转换元件不具有聚合物作为基体材料进而具有高的老化稳定性。此外，转换元件应具有高的效率。此外，本发明的目的是，提供一种光电子器件，所述光电子器件具有改善的特性。本发明的目的还有，提供一种用于制造转换元件的方法，所述方法产生具有改善的特性的转换元件。
所述目的通过根据独立权利要求1的转换元件来实现。本发明的有利的设计方案和改进方案是从属权利要求2至12的主题。此外，所述目的通过根据权利要求13的光电子器件来实现。此外，所述目的通过根据权利要求14的用于制造转换元件的方法来实现。所述方法的有利的设计方案和改进方案是从属权利要求15至17的主题。
在至少一个实施方式中，转换元件包括或具有量子点。量子点设计用于辐射的波长转换。量子点分别具有表面。量子点的、尤其相邻的量子点的至少两个表面至少经由连接体彼此连接。连接体用于将量子点间隔开。因此，网络由量子点和连接体形成。尤其，网络是二维的和/或三维的网络。在此和在下文中将网络理解为，量子点形成网络的所谓的节点，并且连接体形成量子点之间的连接线。尤其，量子点和连接体经由化学键、尤其经由共价键和/或配位键彼此连接。
根据转换元件的至少一个实施方式，转换元件具有量子点或由其构成。量子点设计用于波长转换或波长转化。
进行波长转换的量子点尤其是敏感的转换材料，即相对于氧气、湿气和/或酸性气体敏感的转换材料。优选地，量子点是纳米颗粒，也就是说尺寸在纳米范围中的微粒，所述微粒具有颗粒直径d50，例如在至少1nm和最多1000nm之间。量子点包括半导体核，所述半导体核具有进行波长转换的特性。尤其，量子点的核包括II/IV族半导体或III/V族半导体或者由II/IV族半导体或III/V族半导体构成。例如，量子点选自：InP、Cds、CdSe、InGaAs、GaInP和CuInSe2。半导体核能够由一个或多个层作为覆层包覆。覆层能够是有机的和/或无机的。换言之，半导体核能够在其外面或表面上完全地或近似完全地由其他层覆盖。
半导体核能够是单晶的或多晶的附聚物。
根据至少一个实施方式，量子点具有3nm至10nm的平均直径，特别优选3nm至5nm的平均直径。通过改变量子点的尺寸，能够有针对性地改变进行转换的辐射的波长，进而相应地匹配于各应用。量子点能够球形地或小棒形地成形。
量子点的第一包覆层例如用无机材料、如例如硫化锌、硫化镉和/或硒化镉形成，并且用于产生量子点势能。第一包覆层和半导体核能够由至少一个第二包覆层在露出的表面处近似完全地包围。尤其，第一包覆层是无机的配体壳，所述配体罩尤其具有包含半导体核在内的1nm至10nm的平均直径。第二包覆层例如能够用有机材料、如例如胱胺或半胱氨酸形成，并且有时用于改善量子点在例如基体材料和/或溶剂中的溶解度。在此可能的是，由于第二包覆层，改善量子点在基体材料中的空间上均匀的分布。基体材料例如能够用下述物质中的至少一种形成：丙烯酸酯，硅树脂，杂化材料，如有机改性陶瓷，例如Ormoclear、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚二乙烯基硅氧烷，例如来自PLT公司，太平洋轻工技术公司，或由上述材料构成的混合物。
丙烯酸官能化的量子点、如Ormoclear例如能够从Nanoco公司得到。
在将量子点分散到无机的或有机的基体材料中时，通常得出如下问题，基体材料不是非常稳定的。此外，其也是透明的两组分混合物。此外，基体材料相对于湿气和环境影响、例如酸性气体是可渗透的。此外，各个量子点之间的最优间距不能够足够充分地调节，使得提高所发射的辐射的淬灭。这造成转换元件的效率损耗。
替选地，量子点溶胶或量子点分散体能够用于产生转换元件。在此，从量子点分散体中，即从由量子点和溶剂构成的混合物中去除溶剂，并且为此确定量子效率。然而所述量子效率是非常小的，因为由于量子点附聚物形成，各个量子点相互间的间距是小的。由此，部分地或完全地熄灭量子点的发射，即淬灭。
转换元件的量子点分别具有表面。表面能够是半导体核的表面。替选地，表面也能够是第一包覆层的或另一包覆层的、例如第二包覆层的表面。相邻的量子点的至少两个表面、尤其多于两个表面至少经由一个连接体或多个连接体彼此连接。在此和在下文中，将分子键理解为连接体或Spacer(间隔体的英语)，所述分子键设置在量子点的至少两个表面之间，尤其共价地和/或配位地键合到量子点的表面上，进而使量子点彼此间隔开。
根据至少一个实施方式，量子点选自：InP、CdS、CdSe和CuInSe2和/或其中量子点不具有无机的或有机的覆层。换言之，于是量子点在半导体核之外不具有其他包裹的层。
根据至少一个实施方式，相邻的量子点的间距是最少20nm、15nm、14nm、13nm、12nm、11nm、10nm、9nm、8nm或7nm和/或最高30nm、40nm、50nm、100nm。因此，减小或防止发射的淬灭。相邻的量子点的间距例如能够通过连接体的链长来调节。
连接体在此化学地键合到相应的量子点的表面上。尤其，连接体到相应的量子点的表面上的化学键合是共价的和/或配位的。根据至少一个实施方式，连接体具有至少两个反应基。反应基分别在末端设置在连接体上。反应基尤其分别共价地和/或配位地键合到相应的量子点的相应的表面上。
根据至少一个实施方式，反应基是膦酸盐基团和/或硫酸盐基团。换言之，连接体或间隔体能够在其侧链端部处分别具有反应基。反应基能够通过具有相应的链长的烷基、烯基彼此间隔开。
根据至少一个实施方式，连接体由至少两个预连接体形成。每个预连接体具有官能团。官能团可交联或可氢化硅烷化。因此，在将两个预连接体交联或氢化硅烷化之后能够产生连接体，或者是通过交联或氢化硅烷化产生的。换言之，在制造转换元件期间，量子点具有预连接体。预连接体在一个链端部处具有反应基，例如膦酸盐基团。所述膦酸盐基团共价地和/或配位地键合到相应的量子点的相应的表面上。在相应的预连接体的自由的链端部处设置有官能团。官能团例如是乙烯基、丙烯基和/或Si-H基团。相应的预连接体的键合在相应的量子点的相应的表面上的官能团经由第二预连接体的官能团共价地、例如通过聚合作用或氢化硅烷化与第二预连接体连接。作为聚合作用例如能够考虑自由基的、阳离子的或阴离子的聚合作用。因此，由两个预连接体通过将预连接体经由其官能团连接来产生连接体。
根据至少一个实施方式，转换元件不具有无机的和/或有机的基体材料。换言之，转换材料不具有基体材料，尤其基于聚合物的基体材料。因此，能够弃用基体材料，因为相应的量子点经由连接体化学地彼此连接。
根据至少一个实施方式，连接体包括具有至少32个碳原子、尤其在32个碳原子和最多40个碳原子之间的碳链，其中包括边界值。替选地或附加地，连接体能够包括具有至少32个碳原子和/或最多40个碳原子的甲硅烷基链，其中包括边界值。
替选地或附加地，连接体能够具有碳链，例如如上文所描述的碳链，所述碳链附加地在碳链中具有酯基和/或芳香基。替选地或附加地，连接体能够具有甲硅烷基链，例如如上文所描述的甲硅烷基链，所述甲硅烷基链附加地在甲硅烷基链中具有酯基、H、烷氧基、-OMe、-O-CH2-CH3、-O-CH2-CH2-CH3和/或芳香基。尤其，相应的碳链和/或甲硅烷基链设置在连接体的两个反应基之间。相应地，预连接体能够具有至少一个碳链，所述碳链具有至少16个碳原子至20个碳原子，其中包含边界值。替选地或附加地，预连接体能够具有甲硅烷基链，所述甲硅烷基链具有至少16个硅原子和/或最多20个硅原子，其中包括16个。因此，在量子点之间能够产生间距，所述间距减少或防止进行转换的辐射的淬灭。
替选地或附加地，连接体能够具有PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PDPS(聚二苯基硅氧烷)、聚二甲基硅氧烷链或聚二苯基硅氧烷链，其中能够用甲基和/或苯基侧基来取代链。
根据至少一个实施方式，预连接体具有式C＝C-(SiR2-O)n-PO(OH)2，其中n＝16、17、18或20并且R＝CH3和/或苯基。
根据至少一个实施方式，碳链和/或甲硅烷基链附加地具有侧链，所述侧链选自：H、烷氧基、-O-CH2-CH3、-O-CH2-CH2-CH3、甲基(Me)、苯基(Ph)、O-Me、O-Ph。
根据至少一个实施方式，官能团可交联或可氢化硅烷化。换言之，将官能团在制造转换元件期间交联和/或氢化硅烷化。替选地或附加地，官能团选自：乙烯基、烯丙基、卤代烯丙基、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、Si-H和环氧树脂。
根据至少一个实施方式，转换元件是单相的系统或单相系统。换言之，经由连接体彼此连接的量子点仅形成一个相。因此，不产生混溶性问题，如例如在由分散到常规的基体材料中的量子点构成的系统中产生所述混溶性问题。
根据至少一个实施方式，相应的量子点的表面或至少80％的表面具有至少三个和最多五个连接体，所述连接体共价地或配位地键合在量子点的表面上。
发明人已经认识到，通过将量子点经由双峰的连接体、即具有至少两个反应基的连接体化学键合，能够弃用附加的无机的和/或有机的基体材料。通过相应的连接体的链长还能够调节相邻的量子点的必需的间距，进而防止发射的淬灭。此外，连接体的短链、例如具有16至20个原子的链长的链能够引起无机份额的最大化，这引起发射的辐射的蓝光份额提高并且引起温度稳定性。较小的有机份额降低转换元件的易褪色性。连接体的长链、例如具有＞20个原子的链长的链能够调节和调整聚合物类型的韧性。
此外，如在常规的转换元件中所描述的那样，通过转换元件在量子点和基体材料之间的边界面处不存在散射，使得转换元件具有高的透明度。
此外，能够提供转换元件，所述转换元件具有量子点的高的填充度。量子点的填充度越高，能够产生越薄的转换元件。尤其，成形为层的转换元件的层厚度能够是1μm至5μm。除了设计自由度之外，转换元件的较薄的层也提供更好的散热进而尤其保护温度不稳定的量子点。
此外，通过在此描述的转换元件不用注意宏观相分离，因为在此涉及单相系统并且刚好不涉及由量子点和无机的或有机的基体材料构成的、具有增加的填充度的两相系统。
此外，提出一种光电子器件。尤其，光电子器件具有在此描述的转换元件。也就是说，所有针对转换元件描述的和公开的特征也针对光电子器件公开并且反之亦然。
根据至少一个实施方式，光电子器件包括转换元件和半导体层序列。半导体层序列能用于发射辐射。转换元件设置在半导体层序列的光路中，并且将由半导体层序列发射的辐射在运行中转换为具有改变的波长的辐射。由半导体层序列发射的、例如出自蓝色的光谱范围中的辐射到具有改变的波长的、例如在红色的或绿色的光谱范围中的辐射的转换能够是完全的或部分的。部分的转换能够产生混合色的光，尤其白光。
根据至少一个实施方式，光电子器件是发光二极管，简称LED。光电子器件于是优选设计用于，发射蓝光或白光。
光电子器件包括至少一个光电子半导体芯片，所述光电子半导体芯片具有半导体层序列。半导体芯片的半导体层序列优选基于III-V族化合物半导体材料。半导体材料优选是氮化物化合物半导体材料，如AlnIn1-n-mGamN，或者也是磷化物化合物半导体材料，如AlnIn1-n-mGamP，其中分别有0≤n≤1，0≤m≤1并且n+m≤1。同样，半导体材料是AlxGa1-xAs，其中0≤x≤1。在此，半导体层序列能够具有掺杂物以及附加的组成部分。然而，为了简单性，仅说明半导体层序列的晶格的主要组成部分，即Al、As、Ga、In、N或P，即使所述主要组成部分能够部分地由少量的其他物质替代和/或补充时也如此。
半导体层序列包含有源层，所述有源层具有至少一个pn结和/或具有一个或多个量子阱结构。在LED或半导体芯片运行中，在有源层中产生电磁辐射。辐射的波长或波长最大值优选位于紫外的和/或可见的和/或红外的光谱范围中，尤其波长在420nm和800nm之间、例如在440nm和480nm之间，其中包括边界值。
转换元件设置在半导体层序列的光路中。转换元件尤其将由半导体层序列发射的UV辐射、IR辐射或可见辐射完全地或部分地转换为具有改变的、例如更长的波长的辐射，例如转换为红色的、绿色的、桔色的光。
根据至少一个实施方式，转换元件直接设置在半导体芯片的半导体层序列上。在此和在下文中，将直接理解为，非间接地施加转换元件，即在半导体层序列和转换元件之间没有设置其他层或元件。这不排除，在半导体层序列和转换元件之间设置有连接机构，如粘结剂。
替选地，转换元件也能够与半导体芯片间隔开。在此，在半导体层序列和转换元件之间能够设置有其他元件或层。作为其他层，例如能够考虑粘结层。
本发明还涉及一种用于制造转换元件的方法。优选地，借助方法制造上文所描述的转换元件。也就是说，所有针对转换元件公开的特征也针对用于制造转换元件的方法公开并且反之亦然。同样内容也适用于光电子器件，所述光电子器件尤其包括上文所描述的转换元件。
根据至少一个实施方式，用于制造转换元件的方法包括如下步骤：
A)提供至少两个量子点，尤其多于两个量子点，所述量子点分别具有表面；
B)将至少两个表面分别借助预连接体官能化，其中相应的预连接体直接共价地或配位地键合到相应的量子点的表面上，其中预连接体在末端具有官能团；
C)激活官能团，使得至少两个或刚好两个预连接体彼此连接，并且形成连接体，所述连接体将量子点的两个表面彼此连接，使得连接体和量子点构成网络。
根据至少一个实施方式，借助于引发剂，通过UV辐射或热学地进行步骤C)。作为引发剂例如能够使用Lucirin的TPO-L。替选地，官能团也能够热学地、例如在60℃至180℃的温度下激活。
根据至少一个实施方式，预连接体包括具有至少16个碳原子和/或最高20个碳原子的碳链，其中包括边界值，这些碳原子/碳链在末端分别具有膦酸盐基团或硫酸盐基团作为反应基并且具有官能团。在此，碳链直接经由膦酸盐基团和/或硫酸盐基团键合到一个量子点的表面上。经由官能团，将碳链与另一量子点的相邻的表面的另一预连接体化学地、尤其共价地连接。共价键能够通过氢化硅烷化或聚合作用、例如通过自由基的聚合作用实现。
根据至少一个实施方式，预连接体包括具有至少16个硅原子和/或最多20个硅原子的甲硅烷基链，其中包括边界值。在甲硅烷基链的末端分别设置有膦酸盐基团或硫酸盐基团作为反应基和官能团。经由膦酸盐基团或硫酸盐基团，甲硅烷基链能够直接地键合到一个量子点的表面上。尤其，甲硅烷基链经由官能团与另一量子点的相邻的表面的另一预连接体连接。在官能团之间的连接能够通过聚合作用、即交联或氢化硅烷化来实现。
附图说明
从下面结合附图描述的实施例中得出其他优点、有利的实施方式和改进方案。
附图示出：
图1A至1C分别示出根据一个实施方式的量子点；
图2A和2B分别示出根据一个实施方式的转换元件；
图3A至3C分别示出根据一个实施方式的转换元件；
图4A至4C分别示出根据一个实施方式的转换元件；以及
图5A至5G分别示出根据一个实施方式的光电子器件的示意剖面图。
具体实施方式
在实施例和附图中，相同的、同类的或起相同作用的元件分别设有相同的附图标记。示出的元件和其相互间的大小关系不视为是符合比例的。更确切地说，为了更好的可视性和/或为了更好的理解，能够夸大地示出个别元件，如例如层、构件、器件和区域。
图1A至1C分别示出根据一个实施方式的量子点的示意侧视图。量子点1如在图1A中示出的那样能够包括半导体核1a或由其构成。如果量子点1由半导体核1a构成或包括所述半导体核，那么量子点1的表面1d是半导体核1a的外面或表面。半导体核1a能够具有波长转换的特性。半导体核1a例如能够由硒化镉、硫化镉、磷化铟和硒化铜铟形成。量子点1能够不具有其他覆层，例如无机的和/或有机的覆层，如其在图1B和1C中示出的那样。
图1B示出量子点1，所述量子点除了半导体核1a之外具有包裹的第一层1b。包裹的第一层1b例如能够由硫化锌形成。量子点1能够具有1nm至10nm的平均直径。与之相比，图1A的量子点1能够具有5nm的平均直径。
图1C示出量子点1，所述量子点除了半导体核1a和包裹的第一层1b之外能够附加地具有另外的包裹的第二层1c。另外的包裹的层1c能够是有机覆层，例如由硅、丙烯酸酯或其混合物构成。如果提及相应的量子点1的表面1d，那么这根据图1B对应于包裹的第一层1b的表面，并且根据图1C对应于包裹的第二层1c的表面。
图2A和2B分别示出根据一个实施方式的转换元件的示意侧视图。图2A示出量子点1，在所述量子点上接合有预连接体8。预连接体8具有反应基8b，在此具有反应性的膦酸盐基团。反应基8b能够共价地和/或配位地键合到量子点1的表面1d上。预连接体8还具有官能团8a。官能团8a例如能够是乙烯基、烯丙基、卤化烯丙基、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、Si-H和/或环氧树脂。在官能团8a和反应基8b之间设置有链8c，在本实例中是具有18个碳原子的碳链。作为官能团8a在此示例性地示出乙烯基。
图2B示出两个量子点1，所述量子点经由用于间隔的连接体7彼此连接或是彼此连接的。连接体7在链端部处具有两个反应基7a(在此未示出)。反应基7a在相应的量子点1的表面1d上键合，所述反应基例如是膦酸盐基团或硫酸盐基团。连接体7在反应基7a之间具有链。链例如能够是碳链和/或甲硅烷基链。附加地，乙醚基团和/或芳香单元能够是链的组成部分。因此，在相应的量子点1之间的限定的间距能够通过连接体7产生。尤其，间距小于或等于10nm，例如为7nm。
图3A示出连接体7的或预连接体8的可能的链。例如，连接体7能够是碳链。此外，碳链能够附加地具有一个或多个乙醚基团和/或芳香基团。在侧端处，预连接体8具有官能团X、8b。官能团X、8b能够是乙烯基、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯，卤化的、即尤其氟化的烯丙基或环氧基。在预连接体7的或连接体7的相应的链的另一端处，所述预连接体能够具有反应基Y、8a，所述反应基例如是膦酸盐基团或硫酸盐基团。
图3C示出两个预连接体8至连接体7的反应。在此，相应的预连接体8的官能团X彼此反应，并且形成连接体7，其中官能团X交联或氢化硅烷化，并且在预连接体8之间构成共价键。
图4A示出转换元件，尤其量子点1与预连接体8的连接的示意图。在该实施方式中，两个量子点1分别经由两个预连接体8、即总共四个预连接体8彼此共价地和/或配位地连接。在此，出现在量子点1之间的至少10nm、例如15nm的间距d。
图4B示出量子点1和连接体7的二维网络。在此，量子点1形成网络的相应的节点，并且连接体7形成节点或量子点1之间的连接线。
图4C示出由量子点1和连接体7构成的三维网络。
图5示出根据不同实施方式的光电子器件100的示意侧视图。尤其，光电子器件是发光二极管，简称LED。根据图1A，光源3是发光二极管芯片，所述发光二极管芯片施加到载体2上。直接在发光二极管芯片3之上存在转换元件4。直接施加在此不排除，在相应的部件之间存在连接机构，如粘结剂。可选地，光源3以及转换元件4横向地由反射器囊封件6包围。
在如在图1B中示出的实施例中，光电子器件100附加地具有透镜5。透镜5能够直接设置在转换元件4下游。
在图5C中可见的是，转换元件4直接设置在发光二极管芯片上或设置在光电子器件100的半导体层序列3上。在此，与图5A相比缺少反射器囊封件6。
在如在图1B中示出的实施例中，转换元件4包裹半导体芯片的或光源3的整个表面。尤其，转换元件4具有环绕光源3的恒定的厚度。
根据图1E，光源或半导体芯片3设置在光电子器件100的凹部10中。凹部10例如能够用囊封件9填充，所述囊封件例如由硅树脂构成。直接在囊封件9下游设置有转换元件4。光电子器件100还具有壳体21。换言之，转换元件4与光源3在空间上间隔开。
在图1F中示出的是，转换元件4盖状地包围半导体芯片或光源3，由此转换元件4沿所有方向具有均匀厚度的层。转换元件4和光源3能够设置在光电子器件100的壳体21的凹部中并且由囊封件9包围。
图1G的实施例示出光电子器件100，在所述光电子器件中，转换元件4环绕地、即由其整个表面形状配合地且材料配合地包裹光源3。
结合附图描述的实施例和其特征能够根据另外的实施例也彼此组合，即使这种组合并未在附图中详尽地示出也如此。此外，结合附图描述的实施例能够具有根据在概述部分中的描述的附加的或替选的特征。
本发明不通过根据实施例的描述而局限于此。更确切地说，本发明包括任意新特征以及特征的任意组合，这尤其包含权利要求中的特征的任意组合，即使所述特征或所述组合本身并未详尽地在权利要求或实施例中给出也如此。
本申请要求德国专利申请10 2015 121 720.1的优先权，其公开内容通过参引结合于此。
附图标记列表
100 光电子器件
d 间距
1 量子圆点或量子点
1a 半导体核
1b 第一包覆层
1c 第二包覆层
1d 量子点的表面
2 载体
3 半导体芯片、半导体层序列、光源
4 转换元件
5 透镜
6 反射器囊封件
7 连接体
7a 反应基
8 预连接体
8a 反应基
8b 官能团
8c 碳链和/或甲硅烷基链
9 囊封件
10 凹部
21 壳体