韓國科研團隊通過雙微腔技術突破OLED光譜瓶頸，大幅提升發光顏色純度

在 8K 超高清顯示、增強現實（AR）/ 虛擬現實（VR）前沿科技領域，對光譜精準、高效緊湊的電致發光器件需求正呈爆發式增長。近日，韓國慶北國立大學與韓國產業技術研究院（KITECH）的聯合研究團隊在《Advanced Functional Materials》期刊上發表了一項具有里程碑意義的研究成果。該團隊創新性地提出雙微腔共振增強珀塞爾效應策略，成功研發出綠色雙微腔頂發射OLED（G-DMTOLED），將傳統磷光 OLED 的半高全寬（FWHM）從 60 納米大幅壓縮至 21 納米，實現約 65% 的光譜窄化，色坐標精準逼近 BT.2020 超高清標準，同時兼具高亮度、低效率滾降與環境兼容性等優勢，為下一代顯示方案開辟了全新路徑。

圖1. G-DMTOLEDs設計理念：通過雙微腔協同作用，實現對寬光譜綠色磷光發射體的光譜精準調控

行業痛點凸顯，傳統技術陷入發展瓶頸

隨著顯示技術的快速迭代，發光器件的光譜精度、亮度、穩定性及環境兼容性已成為制約行業發展的核心瓶頸。在高端顯示領域，BT.2020 超高清標準對色彩還原度提出了嚴苛要求，尤其是綠色光作為色域覆蓋的關鍵波段，其純度直接決定了顯示畫面的真實感與沉浸感。

然而，現有發光技術長期面臨難以調和的矛盾：無機半導體發光器件雖能實現銳化發射，但其剛性結構、環境兼容性差及體積龐大等缺陷，無法滿足柔性化、集成化的應用需求；有機發光二極管（OLED）憑借自發光、柔性兼容、高效率等優勢，已廣泛應用于智能手機、電視等商用顯示產品，但傳統有機發光材料受激子 - 振動耦合與結構弛豫的固有特性影響，發射光譜寬（FWHM 通常大于 50 納米），顏色純度不足，難以達到高端顯示方案的窄帶發射要求。

為突破這一技術桎梏，科研界曾嘗試多種解決方案，但均存在明顯短板：光學微腔結構通過光的干涉效應可提升光譜精度，卻需復雜的反射器設計，且光學與電學性能難以同時優化，導致器件效率與穩定性下降；量子點與金屬鹵化物鈣鈦礦材料雖能實現窄帶發射（FWHM<25 納米），但含有鎘、鉛等有毒重金屬，存在嚴重的環境風險與生物安全隱患，限制了其在消費電子等領域的應用；有機多共振熱激活延遲熒光（MR-TADF）材料作為無毒替代方案，雖在窄帶發射方面展現出潛力（FWHM<25 納米），卻面臨波長精準對準困難、高亮度下效率滾降嚴重等問題，始終無法滿足 BT.2020 標準對綠色光的嚴苛要求。在此背景下，開發一種不依賴新型發光材料、兼顧光譜精度與實用性的器件架構，成為全球科研團隊與產業界共同攻關的核心課題。

圖2. a）為器件結構示意圖；b）為腔體增益的三維分布圖；c）為 OLED 腔體增益隨 NPB 層厚度與 TPBi 層厚度的變化曲線；d）為附加腔體結構示意圖；e）為法布里 - 珀羅因子的三維切片圖，f）為 G-DMTOLEDs 中CAV2 的法布里 - 珀羅因子隨CAV1波長與 TCTA 層厚度的變化曲線；g）為完整 G-DMTOLEDs 器件的結構示意圖；h）為雙腔總增益的三維切片圖

；i）為器件雙腔總增益隨CAV1波長與TCTA 層厚度的變化曲線

雙微腔架構創新，三重核心機制實現突破

針對傳統技術的痛點，韓國聯合研究團隊跳出“材料創新” 的固有思維，轉而從器件結構設計入手，提出 “雙微腔共振增強珀塞爾效應” 的全新策略。通過在單微腔頂發射 OLED（G-SMTOLED）上方引入次級光學腔（CAV2），構建 “底層發光微腔 + 上層調控微腔” 的嵌套結構，成功實現光學與電學設計的分離優化，從根本上解決了光譜窄化與器件性能之間的矛盾，其核心創新體現在三個維度。

器件結構：雙層微腔設計實現獨立調控

G-DMTOLED 的核心突破在于其精巧的雙層微腔嵌套結構，實現了光學性能與電學性能的解耦調控。底層微腔（CAV1）作為基礎發光單元，由高反射率鋁陽極（100 納米）、半透明鋰氟 / 鋁 / 銀陰極（1/1/15 納米）及中間的有機 - 無機多層薄膜組成，具體包括空穴注入層（MoO?，5 納米）、空穴傳輸層（NPB）、電子阻擋層（TCTA，15 納米）、發光層（CBP:Ir (mppy)?，30 納米）和電子傳輸層（TPBi）。研究團隊通過精確調節空穴傳輸層（NPB）和電子傳輸層（TPBi）的厚度，使 CAV1 在保證優異電學傳輸特性的同時，實現 450-550 納米范圍內的一階模式共振，為后續光譜調控奠定基礎。上層微腔（CAV2）作為專門的光譜調控單元，由 TCTA 層與頂部銀反射器構成，沉積于 CAV1 之上，無需改變 OLED 核心發光結構。這種分層設計的關鍵優勢在于，光學性能優化與電學性能設計互不干擾 —— 通過獨立調節 CAV2 的 TCTA 層厚度（d_TCTA）和頂部銀層厚度（d_Top Ag），即可精準調控共振條件，實現對發射光譜的精細調諧。實驗證明，這種結構設計不僅簡化了器件制備流程，更大幅提升了光譜調控的靈活性與精準度，徹底解決了傳統單微腔器件中光學與電學難以兼顧的核心矛盾。

圖3. G-DMTOLEDs的人工可調色度特性：a) 基于 CAV2 與 15 nm 頂銀層（dTop Ag）的 OLED 電致發光（EL）強度計算；b) EL 峰值波長的偏移規律；c) CIE 1931 色坐標分布；d) 固定腔模波長下的 EL 強度特性；e) EL 光譜帶寬的調控規律；f) 光譜帶寬調控對應的色坐標變化

核心機制：珀塞爾效應強化實現窄帶發射

雙微腔結構的另一大突破在于顯著增強了珀塞爾效應。在微腔系統中，激子與腔模的耦合會加速自發發射速率，這一現象被稱為珀塞爾效應，是實現窄帶發射的關鍵物理機制。在 G-DMTOLED 中，CAV1 與 CAV2 形成的雙重共振場，使激子與腔模的相互作用大幅增強，自發發射速率顯著提升，進而帶來三重關鍵優勢：

一是通過選擇性增強共振波長、抑制非共振模式，實現光譜的大幅窄化。實驗數據顯示，傳統磷光發射體的 FWHM 為 60 納米，而 G-DMTOLED 的 FWHM 僅為 21 納米，光譜窄化幅度達到 65%，成為目前綠色 OLED 領域最窄的發射帶寬之一；

二是有效抑制高亮度下的三線態 - 三線態湮滅和三線態 - 極化子湮滅，顯著改善器件的效率滾降問題。在 5×104cd/m2的高亮度條件下，G-DMTOLED 的外量子效率（EQE）仍維持在 7.2%，表現遠優于傳統 MR-TADF 器件；

三是誘導發射光的定向傳播，使器件呈現強方向性，為顯示器件的視角控制與光提取效率提升提供了新路徑，尤其適用于 AR/VR 近眼顯示等對視角有特殊要求的場景。

調控靈活性：多維度參數實現寬范圍精準調諧

研究團隊通過傳輸矩陣計算與有限差分時域（FDTD）模擬，系統驗證了雙微腔結構的靈活調控能力。在 CAV1 的共振波長固定為 550 納米時，僅調節 CAV2 的 TCTA 層厚度，即可實現 493-561 納米范圍內的共振波長移動，完全覆蓋綠色光波段；若固定 TCTA 層厚度為 150 納米，隨著 CAV1 共振波長從 450 納米增至 550 納米，雙微腔共振峰可從 462 納米紅移至 535 納米，實現全波段的精準匹配。

此外，調節頂部銀層厚度可進一步優化光譜特性。當 d_Top Ag 從 15 納米增至 55 納米時，EL 光譜的 FWHM 持續窄化，最窄可達 13.6 納米，對應的 CIE 1931 色坐標從（0.212, 0.707）偏移至（0.126, 0.777），顏色純度大幅提升。這種多維度的調控方式，使器件能夠根據不同應用場景的需求，精準匹配目標波長，為全色系超純發射器件的開發提供了通用方案，具備極強的技術擴展性。

圖4. 綠色單微腔頂發射 OLED 與綠色雙微腔頂發射 OLED 的性能對比：a) 器件結構示意圖；b) 電致發光光譜對比；c) 峰值波長與半高全寬的變化規律；d) CIE 1931 色坐標與色域構建；e - f) 基于 BT.2020 標準的綠色色域表征

性能指標全面領先，應用場景持續拓展

實驗制備的 G-DMTOLED 器件在光譜特性、光電性能與兼容性方面均展現出行業領先水平，為其在多領域的廣泛應用奠定了堅實基礎。

光譜與色彩性能：精準逼近 BT.2020 標準

G-DMTOLED 的核心突破在于其超窄帶發射特性與超高顏色純度。器件的峰值發射波長為 518 納米，FWHM 僅 21 納米，較原始發光材料實現約 65%的光譜窄化。對應的 CIE 1931 色坐標為（0.163, 0.732），BT.2020 色域覆蓋率高達 95.2%，遠超 NTSC 標準（CIE y=0.73），距離 BT.2020 綠色標準（0.170, 0.797）僅一步之遙。

當進一步優化頂部銀層厚度至 60 納米時，器件的 FWHM 可壓縮至 15 納米以下，色坐標達到（0.127, 0.784），幾乎完全匹配 BT.2020 標準要求。這一成果解決了長期困擾行業的綠色光純度不足問題，為超高清顯示技術的色彩還原提供了關鍵支撐，有望推動 8K 超高清顯示、AR/VR 近眼顯示等領域的畫質實現質的飛躍。

光電性能：高亮度與低滾降兼備

在保持超窄帶發射的同時，G-DMTOLED 展現出優異的光電綜合性能。器件的最大亮度達到 1.241×105cd/m2，遠超戶外顯示（>104 cd/m2）與 AR/VR 近眼顯示的亮度需求，即使在強光環境下也能保證清晰的顯示效果；峰值外量子效率（EQE）為 10.3%，電流效率 34.6 cd/A，功率效率 19.3 lm/W，在窄帶發射器件中處于領先水平。

更重要的是，器件在高亮度下仍保持穩定性能。傳統 OLED 器件在高亮度下容易出現效率大幅下降的 “滾降” 現象，而 G-DMTOLED 得益于增強的珀塞爾效應，有效抑制了非輻射復合過程，在 5×104 cd/m2的高亮度條件下，EQE 仍維持在 7.2%，效率滾降得到顯著抑制。與單微腔器件（G-SMTOLED）相比，G-DMTOLED 在相同光譜寬度下的光提取效率提升約 5 個百分點，當 FWHM 均為 20 納米左右時，雙微腔器件的外耦合效率達到 33.9%，而單微腔器件僅為 28.6%，充分體現了雙微腔架構的性能優勢。

圖5. 制備 OLED 器件的光電特性表征：a) G-DMTOLED 的橫截面 SEM 圖像；b) G-DMTOLED 的能級圖；c) 電流密度 - 電壓 - 亮度（J-V-L）特性；d) 最大亮度下的 EL 光譜對比；e) 效率隨亮度的變化曲線；f) CIE 1931 色坐標與發光實拍圖

兼容性與擴展性：多體系適配潛力巨大

該雙微腔架構具有極強的兼容性與擴展性，為其產業化應用提供了廣闊空間。研究表明，該策略不僅適用于磷光 OLED，還可與 MR-TADF 材料、量子點、極化子器件及周期性光子結構結合，有望進一步提升器件效率與光譜性能。通過與下一代非毒性有機發光材料搭配，可實現效率與環保性的雙重提升，符合全球電子產業綠色發展的趨勢。

此外，該架構可輕松拓展至紅、藍等其他波段。通過調節雙微腔的共振條件，可實現全可見光譜范圍內的超窄帶發射，為構建覆蓋 BT.2020 全色域的顯示面板提供了統一解決方案。器件采用的有機材料無重金屬污染，制備過程兼容現有熱蒸發工藝，無需額外引入復雜設備，大幅降低了產業化門檻，具備快速實現規模化生產的潛力。

技術對比彰顯優勢，行業影響深遠

為凸顯雙微腔技術的創新性與優越性，研究團隊將 G-DMTOLED 與現有主流技術進行了全面對比。與量子點和金屬鹵化物鈣鈦礦器件相比，G-DMTOLED 不含重金屬，環境兼容性更佳，且不存在材料穩定性問題；與 MR-TADF 器件相比，G-DMTOLED 無需復雜的分子設計，即可實現更窄的光譜寬度與更精準的波長對準，同時解決了高亮度下效率滾降的痛點；與傳統單微腔器件相比，G-DMTOLED 在光譜窄化幅度、調控靈活性與光提取效率方面均具有顯著優勢，尤其在相同光譜寬度下，雙微腔器件的效率更高，更適合高端應用場景。

圖6. 本研究開發器件與已報道的磷光和熱活化延遲熒光發光層基綠色 OLED 器件的性能對比：a) 已報道器件的半高全寬匯總；b) 最大亮度與 CIEy 坐標的關聯特性；c) G - DMTOLED 的 BT.2020 色域構建；d) 頂銀層厚度對色坐標的影響

在與已報道的綠色 OLED 器件對比中，G-DMTOLED 的 FWHM（21 納米）窄于多數先進 MR-TADF 器件（FWHM<25 納米），色坐標更接近 BT.2020 標準，最大亮度達到 1.241×105 cd/m2，綜合性能處于行業領先水平。這一成果不僅打破了“窄帶發射必須依賴新型發光材料” 的傳統認知，更為有機電子器件的高性能化提供了 “結構創新替代材料創新” 的全新范式。

在顯示領域，超窄帶發射特性與高色域覆蓋能力，將推動 8K 超高清顯示、AR/VR 近眼顯示、柔性顯示等技術的畫質升級。未來搭載該技術的顯示產品，將實現更精準的色彩還原、更高的對比度與更清晰的細節表現，為用戶帶來沉浸式視覺體驗，加速超高清顯示產業的普及。研究團隊表示，未來將重點推進兩大方向的研究：一是通過引入水平取向偶極子發光材料與光提取增強技術，進一步提升器件的量子效率，目標將EQE 提升至 15% 以上；二是拓展雙微腔架構在近紅外波段的應用，開發適用于生物成像、環境監測等領域的新型發光器件。

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馬女士 Ms. Ceres

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