芝加哥大學可拉伸OLED重大突破，外部量子效率達8%

突破可拉伸OLED性能瓶頸：高效電子注入新設計推動可穿戴顯示技術發展

可拉伸有機發光二極管（OLED）正逐步改變人機交互與可穿戴技術的面貌，然而其性能仍遠不及商業化的非可拉伸OLED，主要瓶頸在于電子注入效率低下。盡管近年來在可拉伸發光層方面取得顯著進展，如熒光、磷光及熱激活延遲熒光材料的開發，但電子傳輸層與陰極的設計卻一直未能實現理想的能級對齊與可拉伸性，導致器件整體效率受限。

為解決這一難題，芝加哥大學王思泓、Juan J. de Pablo合作通過重新設計電子傳輸層與陰極結構，成功實現了高效電子注入。他們開發了一種具有高拉伸性和理想能級的共聚物電子傳輸層，并利用液態金屬脆化效應賦予鋁薄膜可拉伸性，同時保持其電學和光學特性。基于這兩項創新，研究團隊制備出全可拉伸OLED器件，其外部量子效率高達8%，開啟電壓低至3.5V，性能與使用相同發光層的剛性OLED相當，顯著縮小了可拉伸器件與標準器件之間的性能差距。相關論文以“Enabling efficient electron injection in stretchable OLED”為題，發表在Nature Materials上。

圖1展示了本研究在電子注入能級對齊方面的突破。與以往設計相比，新型可拉伸電子傳輸層聚合物與脆化鋁陰極的結合，有效提升了電子注入效率。圖中比較了不同可拉伸電極（如銀納米線、碳納米管等）的功函數，凸顯了鋁陰極在低功函數方面的優勢。此外，器件在拉伸狀態下仍能穩定發光，顯示出其在實際應用中的潛力。

圖1：通過可拉伸ETL聚合物和可拉伸陰極設計實現高效電子注入。a：與先前設計相比，本研究通過新型ETL聚合物和陰極層改善了電子注入的能級對齊。b：基于共聚物設計的可拉伸ETL聚合物。c：基于液態金屬對鋁薄膜脆化效應的可拉伸陰極設計（左），以及本研究可拉伸陰極與銀納米線、碳納米管和PEDOT:PSS電極的功函數比較（右）。d：使用本研究可拉伸ETL聚合物和脆化鋁陰極制備的全可拉伸OLED器件照片。e：本研究可拉伸TADF-OLED的最大外部量子效率和開啟電壓與先前設計的比較。

圖2進一步揭示了新型電子傳輸層聚合物的結構與性能。通過密度泛函理論與分子動力學模擬，研究人員發現聚合物主鏈中烷基鏈的引入不僅增強了材料的拉伸性，還保持了較高的三重態能級，有效抑制了激子淬滅。實驗結果表明，該類聚合物具有與常用小分子電子傳輸材料相當的電子遷移率與能級位置，且在OLED器件中實現了高達9%-10%的外部量子效率，遠超以往基于PFN-Br的可拉伸電子傳輸層。

圖2：不同烷基鏈摩爾分數的可拉伸ETL聚合物表征。a：DFT模擬顯示聚合物構象結構與LUMO分布。b：從MD模擬中提取的五種PTG基聚合物的三嗪-三嗪構型統計。c,d：PTG75D的LUMO/HOMO能級與T1能級與PEIE_PFN-Br、TPBI和TmPyPB的比較。e：電子僅器件中測得的PTG基聚合物電子遷移率。f：用于表征PTG基聚合物作為ETL的OLED器件結構示意圖。g,h：使用四種PTG基聚合物、PEIE_PFN-Br、TPBI和TmPyPB作為ETL的OLED器件的代表性J-V與L-V曲線及最大外部量子效率。

圖3聚焦于電子傳輸層聚合物的機械性能。隨著烷基鏈摩爾分數的增加，材料的裂紋起始應變從不足5%提升至200%，同時玻璃化轉變溫度與彈性模量逐漸降低。在拉伸過程中，OLED器件的電流密度、亮度與效率均保持穩定，即使經過500次100%應變的循環拉伸，性能也未出現明顯衰減。非親和位移分析表明，軟性烷基鏈有效增強了整體結構的形變能力。

圖3：ETL聚合物的可拉伸性。a：五種ETL聚合物薄膜在PDMS基底上的裂紋起始應變。b：PTG75D薄膜在100%應變下的光學顯微鏡與原子力顯微鏡圖像。c：四種不同烷基鏈分數ETL聚合物的玻璃化轉變溫度與彈性模量。d：用于表征拉伸下ETL聚合物OLED性能的器件結構示意圖。e：PTG75D在不同應變下的代表性J-V與L-V曲線。f：PTG75D在不同應變下的歸一化最大外部量子效率與電致發光光譜。g：PTG75D薄膜作為ETL在OLED中重復拉伸的示意圖。h：PTG75D經不同次數100%應變循環后的代表性J-V與L-V曲線。i：PTG75D經不同次數拉伸后的歸一化最大外部量子效率與電致發光光譜。j：非親和位移示意圖。k：ETL聚合物在5%應變下主干剛性段、軟鏈與側鏈的非親和位移分布。

圖4介紹了基于液態金屬脆化效應的可拉伸陰極設計。通過在鋁薄膜表面涂覆AlGaIn液態金屬，研究人員成功實現了鋁的脆化，使其在拉伸時不易形成宏觀裂紋。該陰極保留了鋁的低功函數（約2.9 eV）和高反射率，電子注入能力與標準鋁陰極相當，遠優于以往使用的銀納米線或PEDOT:PSS電極。

圖4：基于液態金屬脆化效應的可拉伸鋁薄膜陰極設計。a：液態金屬（AlGaIn）層脆化鋁薄膜以實現高拉伸性的示意圖。b：脆化鋁表面的SEM圖像與EDS元素分布圖。c,d：在無氧環境中，Al摻入EGaIn顯著改善液態金屬在鋁表面與PDMS表面的潤濕性。e：脆化鋁薄膜從表面至不同深度的鋁、鎵、銦原子分數分布。f：脆化鋁薄膜與未處理鋁薄膜在應變下的方塊電阻變化。g：脆化鋁薄膜與未處理鋁薄膜在100%應變下的光學顯微鏡圖像。h：通過UPS測量LiF/鋁雙層陰極的功函數受脆化處理的影響。i：不同EIL/陰極雙層在電子僅器件中的電子注入能力比較。j：脆化鋁薄膜與普通鋁、PEDOT:PSS和銀納米線薄膜的反射光譜比較。

圖5展示了整合上述設計的全可拉伸OLED器件。該器件在拉伸至60%-80%應變時仍能維持75%以上的初始效率，發光光譜與色坐標保持穩定。與以往報道的可拉伸發光器件相比，本研究器件在效率與開啟電壓方面均達到領先水平，適用于從藍光到紅光的廣色域顯示應用。

圖5：基于可拉伸ETL聚合物（PTG75D）與脆化鋁陰極的全可拉伸OLED。a：器件結構示意圖。b：器件能級圖。c：代表性電流密度-電壓與亮度-電壓曲線。d：代表性外部量子效率-電流密度曲線。e：代表性OLED器件在0%至80%應變下的照片。f：可拉伸OLED在不同應變下的歸一化亮度與外部量子效率。g：本研究可拉伸OLED與以往報道的可拉伸OLED、量子點LED及發光電化學電池在開啟電壓與電流效率方面的比較。

本研究成果成功解決了可拉伸OLED發展中長期存在的電子注入難題，通過創新性的電子傳輸層與陰極設計，使全可拉伸器件在性能上逼近傳統剛性OLED。這不僅為高性能、類皮膚顯示技術的商業化鋪平了道路，也為未來集成更高性能發光材料提供了可靠平臺。

作者簡介

王思泓
芝加哥大學普利茲克分子工程學院
Assistant Professor

2009年于清華大學獲學士學位，2014年于佐治亞理工學院獲材料科學與工程博士學位。2015年至2018年，于斯坦福大學化學工程專業從事博士后研究。在眾多高影響力期刊上發表論文80余篇，包括Science, Nature, Nature Materials, Nature Electronics, Matter等。

研究團隊聚焦于可作為新一代技術用于生物醫學研究和治療的柔性聚合物生物電子材料和設備。截至2024年10月，相關研究被引27,500多次，H指數為66。并連續被Clarivate Analytics評為“高被引科學家”(2020-2023)，榮獲美國國立衛生研究院(NIH)院長新創新者獎、美國國家科學基金會(NSF)CAREER獎、美國海軍研究辦公室(ONR)青年研究員獎、麻省理工學院《技術評論》35歲以下創新者獎(TR35全球榜單)等獎項。

來源：高分子科學前沿

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