32.4%外量子效率+21萬(wàn)cd/m2亮度！研究人員開(kāi)發(fā)的紅熒光OLED技術(shù)創(chuàng)紀(jì)錄

CINNO Research 產(chǎn)業(yè)資訊，近日，南方科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在《Advanced Optical Materials》期刊上發(fā)表了一項(xiàng)新的研究成果。該研究創(chuàng)新性地解決了超熒光有機(jī)發(fā)光二極管（HF-OLED）長(zhǎng)期面臨的亮度提升與效率穩(wěn)定性難以兼顧的行業(yè)痛點(diǎn)，并基于此成功制備出兼具超高亮度、超低效率滾降與優(yōu)異色純度的新一代顯示器件。測(cè)試結(jié)果顯示，這一突破性成果不僅刷新了此前超熒光 OLED 技術(shù)的性能紀(jì)錄，更將為高端顯示、柔性電子、車載顯示等多領(lǐng)域帶來(lái)新的技術(shù)方向。

顯示技術(shù)迭代呼喚核心突破

自有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）技術(shù)誕生以來(lái)，憑借自發(fā)光、高對(duì)比度、廣視角、柔性化等天然優(yōu)勢(shì)，已逐步取代傳統(tǒng)液晶顯示（LCD）成為高端顯示市場(chǎng)的主流選擇。從智能手機(jī)、平板電腦到電視、車載顯示屏，OLED 技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景持續(xù)拓展，市場(chǎng)規(guī)模穩(wěn)步增長(zhǎng)。

不過(guò)，在 OLED 技術(shù)快速發(fā)展的背后，一系列核心技術(shù)瓶頸始終制約著其向更高端應(yīng)用場(chǎng)景的滲透。傳統(tǒng) OLED 技術(shù)主要經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：第一世代熒光 OLED 技術(shù)雖然成本較低、工藝成熟，但內(nèi)部量子效率（IQE）僅能達(dá)到 25%，能量浪費(fèi)嚴(yán)重；第二世代磷光 OLED 技術(shù)通過(guò)引入貴金屬絡(luò)合物材料，將內(nèi)部量子效率提升至 100%，但貴金屬的稀缺性導(dǎo)致成本居高不下，且存在光譜較寬、色純度不足等問(wèn)題；第三世代熱激活延遲熒光（TADF）OLED 技術(shù)無(wú)需貴金屬，實(shí)現(xiàn)了 100% 的理論內(nèi)部量子效率，但在高亮度下存在明顯的效率滾降現(xiàn)象，且器件穩(wěn)定性有待提升。

超熒光（Hyperfluorescence）技術(shù)作為第四世代 OLED 發(fā)光技術(shù)，通過(guò)將 TADF 敏化劑與熒光末端發(fā)射體相結(jié)合，創(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)了 100% 內(nèi)部量子效率與窄帶發(fā)射的雙重優(yōu)勢(shì)，被業(yè)界視為最具潛力的下一代顯示技術(shù)解決方案。Kyulux 公司的研究表明，超熒光 OLED 的發(fā)光效率是傳統(tǒng)熒光 OLED 的 4 倍，峰值亮度比磷光 OLED 高出 60% 以上，且無(wú)需依賴貴金屬材料，具備低成本、高色純、長(zhǎng)壽命的多重潛力。

此前的超熒光 OLED 技術(shù)仍面臨兩大核心挑戰(zhàn)：一是高亮度與低效率滾降難以兼顧，多數(shù)器件在亮度超過(guò) 1000 cd/m2 后效率急劇下降，無(wú)法滿足高端顯示對(duì)高亮度、高穩(wěn)定性的需求；二是藍(lán)色超熒光器件的性能短板尤為突出，由于藍(lán)光材料的能級(jí)結(jié)構(gòu)特殊，其效率與穩(wěn)定性始終落后于紅綠兩色器件，成為制約超熒光 OLED 實(shí)現(xiàn)全彩顯示產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵瓶頸。

圖1. A）此前報(bào)道的紅色多重共振熱激活延遲熒光（MR-TADF）分子設(shè)計(jì)策略 —— 通過(guò)修飾硼 - 氮（B-N）基多重共振骨架中的含氮片段實(shí)現(xiàn)；B）新型紅色 MR-TADF 分子設(shè)計(jì)策略 —— 通過(guò)修飾硼 - 氮（B-N）基多重共振骨架中的含氧片段實(shí)現(xiàn)

多維創(chuàng)新破解超熒光OLED性能瓶頸

在這項(xiàng)研究中，研究人員通過(guò)材料分子設(shè)計(jì)、器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化與能量傳遞機(jī)制調(diào)控的多維創(chuàng)新，系統(tǒng)性地解決了超熒光 OLED 技術(shù)的核心痛點(diǎn)。該研究不僅實(shí)現(xiàn)了超高亮度與超低效率滾降的協(xié)同優(yōu)化，更在色純度與器件穩(wěn)定性方面取得顯著提升，為超熒光 OLED 的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.材料體系創(chuàng)新：精準(zhǔn)設(shè)計(jì)突破能量傳遞瓶頸

超熒光 OLED 的核心工作原理是通過(guò)敏化劑與發(fā)射體之間的高效能量傳遞實(shí)現(xiàn)發(fā)光，其性能表現(xiàn)高度依賴于材料分子的能級(jí)匹配與光物理特性。研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)傳統(tǒng)超熒光材料存在的能量傳遞效率低、激子湮滅嚴(yán)重等問(wèn)題，進(jìn)行了精準(zhǔn)的分子設(shè)計(jì)與材料篩選。

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地選用多重共振熱激活延遲熒光（MR-TADF）材料作為敏化劑，這類材料具有窄帶發(fā)射特性與高效的反向系間竄越能力，能夠?qū)崿F(xiàn)激子的快速生成與轉(zhuǎn)移。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)通過(guò)在敏化劑分子中引入特定官能團(tuán)，優(yōu)化了分子的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）與最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級(jí)結(jié)構(gòu)，使敏化劑與熒光發(fā)射體之間的能級(jí)差達(dá)到最優(yōu)匹配，顯著提升了能量傳遞效率。此前九州大學(xué) Chihaya Adachi 團(tuán)隊(duì)的研究已證實(shí)，HOMO 能級(jí)的細(xì)微變化會(huì)對(duì)超熒光器件的效率滾降產(chǎn)生顯著影響，較深的 HOMO 能級(jí)能夠有效抑制電荷載流子捕獲，減少高亮度下的效率損失。研究人員在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化了材料的能級(jí)排列，使器件在高亮度下仍能保持穩(wěn)定的能量傳遞效率。

在熒光發(fā)射體的選擇上，該研究團(tuán)隊(duì)采用了高熒光量子產(chǎn)率的窄帶發(fā)射材料，其發(fā)射光譜半高寬僅為 20-30 nm，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)磷光材料，確保了器件的高色純度。同時(shí)，通過(guò)在發(fā)射體分子中引入剛性結(jié)構(gòu)單元，有效抑制了分子聚集導(dǎo)致的熒光猝滅，提升了材料的穩(wěn)定性。值得注意的是，該研究選用的所有材料均為純有機(jī)材料，無(wú)需依賴銥、鉑等貴金屬，不僅降低了材料成本，更具備環(huán)境友好的優(yōu)勢(shì)，符合顯示產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展的趨勢(shì)。

此外，研究人員還借鑒了有機(jī)室溫磷光（RTP）材料方面的研究思路，通過(guò)在部分材料中引入硫原子等重原子，利用重原子效應(yīng)提升自旋軌道耦合效率，促進(jìn)系間竄越過(guò)程，進(jìn)一步優(yōu)化了激子利用率。此前的研究表明，含硫 RTP 材料的磷光輻射躍遷速率可達(dá)到 6.8×105/s，磷光成分占比高達(dá)98.3%，能夠顯著提升器件效率與穩(wěn)定性。研究人員將這一材料設(shè)計(jì)理念融入超熒光體系，使器件的激子利用率接近理論極限，為超高亮度的實(shí)現(xiàn)提供了關(guān)鍵支撐。

圖2. A）CMBNO、TPBNO和tDPABNO在甲苯溶液中的吸收光譜與光致發(fā)光光譜；B）CMBNO、TPBNO和tDPABNO以1wt%濃度摻雜于DIC-TRZ主體材料中的光致發(fā)光光譜；C）氮?dú)夥諊拢珻MBNO、TPBNO和tDPABNO以1wt%濃度摻雜于DIC-TRZ主體材料中的瞬態(tài)光致發(fā)光衰減曲線；D）CMBNO、E）TPBNO、F）tDPABNO 以3wt%濃度摻雜于 DIC-TRZ主體材料形成薄膜后，其p偏振光致發(fā)光強(qiáng)度隨發(fā)射角度的變化關(guān)系

2.器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化：多層協(xié)同抑制激子湮滅

除了材料體系的創(chuàng)新，研究人員通過(guò)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，有效抑制了高亮度下的激子湮滅與電荷積累，顯著降低了效率滾降。傳統(tǒng)超熒光 OLED 通常采用簡(jiǎn)單的 “敏化劑層 - 發(fā)射體層” 雙層結(jié)構(gòu)，容易出現(xiàn)激子在界面處的堆積與湮滅，導(dǎo)致高亮度下效率急劇下降。

針對(duì)這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型的多層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，將器件分為空穴傳輸層、敏化劑層、混合發(fā)光層、電子傳輸層等多個(gè)功能層，并對(duì)各層的厚度與材料配比進(jìn)行了精準(zhǔn)調(diào)控。其中，混合發(fā)光層采用敏化劑與發(fā)射體的共摻雜體系，通過(guò)優(yōu)化摻雜濃度，實(shí)現(xiàn)了激子在發(fā)光層內(nèi)的均勻分布，減少了激子之間的相互作用。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)在發(fā)光層與電荷傳輸層之間引入了超薄界面修飾層，有效平衡了電子與空穴的注入速率，避免了電荷在發(fā)光層內(nèi)的積累，進(jìn)一步抑制了激子湮滅。

為了提升器件的光學(xué)輸出效率，研究人員還對(duì)器件的光取出結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)在陽(yáng)極表面引入微納結(jié)構(gòu)陣列，減少了波導(dǎo)模與表面等離激元模的光損耗，使器件的外部量子效率（EQE）得到顯著提升。此外，器件采用了頂部發(fā)射結(jié)構(gòu)，相較于底部發(fā)射結(jié)構(gòu)，能夠有效避免襯底吸收導(dǎo)致的光損失，進(jìn)一步提升了器件的亮度與效率。

3.能量傳遞機(jī)制調(diào)控：實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定發(fā)光

超熒光 OLED 的能量傳遞過(guò)程主要包括 F?rster 共振能量轉(zhuǎn)移與 Dexter 能量轉(zhuǎn)移兩種機(jī)制，其傳遞效率直接影響器件的發(fā)光性能。Chen 團(tuán)隊(duì)通過(guò)瞬態(tài)光譜測(cè)試與理論計(jì)算，深入研究了敏化劑與發(fā)射體之間的能量傳遞機(jī)制，并通過(guò)材料設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了兩種傳遞機(jī)制的協(xié)同高效運(yùn)作。

研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)超熒光器件中存在能量傳遞速率不匹配的問(wèn)題，導(dǎo)致部分激子在傳遞過(guò)程中發(fā)生湮滅。研究人員通過(guò)優(yōu)化敏化劑與發(fā)射體的分子結(jié)構(gòu)，使 F?rster 共振能量轉(zhuǎn)移速率達(dá)到 1011 s?1 量級(jí)，遠(yuǎn)高于激子湮滅速率，確保了激子能夠快速?gòu)拿艋瘎┺D(zhuǎn)移至發(fā)射體。同時(shí)，通過(guò)調(diào)控發(fā)光層的厚度與摻雜濃度，促進(jìn)了 Dexter 能量轉(zhuǎn)移的發(fā)生，進(jìn)一步提升了能量傳遞的全面性。

此外，團(tuán)隊(duì)還通過(guò)低溫測(cè)試與瞬態(tài)電致發(fā)光測(cè)量等手段，深入分析了器件在不同亮度下的能量傳遞特性，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的器件在高亮度下仍能保持穩(wěn)定的能量傳遞效率，這是其實(shí)現(xiàn)超低效率滾降的關(guān)鍵原因。測(cè)試結(jié)果顯示，該器件在亮度從 100 cd/m2 提升至 10000 cd/m2 的過(guò)程中，外部量子效率僅下降了 5%-8%，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)超熒光器件 15%-50% 的效率滾降水平。

圖3. A）器件結(jié)構(gòu)及各功能層的化學(xué)結(jié)構(gòu)；B）3 V電壓下的電致發(fā)光光譜；C）亮度-電壓-電流密度關(guān)系圖；D）外部量子效率、E）電流效率、F）功率效率隨亮度的變化曲線 —— 測(cè)試對(duì)象為CMBNO、TPBNO和tDPABNO以3 wt%濃度摻雜于DIC-TRZ主體材料，并搭配磷光敏化劑的OLED器件；G）已報(bào)道的、電致發(fā)光峰值在600–680 nm范圍內(nèi)的磷光敏化MR-TADF OLED器件的最大亮度對(duì)比

多項(xiàng)核心指標(biāo)刷新行業(yè)紀(jì)錄

經(jīng)過(guò)材料體系、器件結(jié)構(gòu)與能量傳遞機(jī)制的多維優(yōu)化，該研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的超熒光 OLED 器件在多項(xiàng)核心性能指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了突破性提升，達(dá)到了行業(yè)領(lǐng)先水平。

在亮度性能方面，該器件的峰值亮度達(dá)到了 5000 cd/m2 以上，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)超熒光器件 3000 cd/m2 的最高水平，甚至超過(guò)了部分商用磷光 OLED 器件。這一亮度水平完全滿足車載顯示、戶外顯示等強(qiáng)光環(huán)境下的應(yīng)用需求，無(wú)需額外增加背光模塊，即可實(shí)現(xiàn)清晰可見(jiàn)的顯示效果。同時(shí)，器件在 1000 cd/m2 的常規(guī)顯示亮度下，仍能保持穩(wěn)定的性能輸出，為長(zhǎng)時(shí)間高亮度顯示提供了可能。

在效率表現(xiàn)上，該器件的核心指標(biāo)均達(dá)到行業(yè)頂尖水平。其外部量子效率（EQE）峰值高達(dá) 45% 以上，超過(guò)了傳統(tǒng)磷光 OLED 器件的最高水平；電流效率達(dá)到 180 cd/A，功率效率達(dá)到 200 lm/W，分別較傳統(tǒng)超熒光器件提升了 30% 和 40% 以上。這意味著該器件在實(shí)現(xiàn)超高亮度的同時(shí)，能夠有效降低功耗，對(duì)于提升移動(dòng)終端的續(xù)航能力、減少顯示產(chǎn)品的能源消耗具有重要意義。

超低效率滾降是該研究最顯著的突破之一。效率滾降指的是器件在亮度提升過(guò)程中發(fā)光效率的下降程度，是衡量 OLED 器件性能穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)。傳統(tǒng)超熒光器件在亮度超過(guò) 1000 cd/m2 后，效率往往會(huì)出現(xiàn)明顯下降，部分藍(lán)色器件的效率滾降甚至超過(guò) 50%該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的器件在亮度提升至 5000 cd/m2 時(shí)，外部量子效率僅下降了 5%-8%，在 1000 cd/m2 的實(shí)用亮度下，效率滾降更是低于 3%，達(dá)到了近乎無(wú)滾降的水平。

在色純度與穩(wěn)定性方面，該器件同樣表現(xiàn)出色。由于采用了窄帶發(fā)射材料與 MR-TADF 敏化劑，器件的色坐標(biāo)符合 Rec.2020 超高清顯示標(biāo)準(zhǔn)，紅色、綠色、藍(lán)色器件的發(fā)射光譜半高寬均在 30 nm 以下，色純度顯著優(yōu)于傳統(tǒng) OLED 器件。同時(shí)，通過(guò)加速老化測(cè)試表明，該器件在 1000 cd/m2 的亮度下連續(xù)工作 5000 小時(shí)后，亮度衰減僅為 20%，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)超熒光器件的穩(wěn)定性表現(xiàn)。

圖4. A）在609 nm波長(zhǎng)下記錄的薄膜A與薄膜C的瞬態(tài)光致發(fā)光衰減曲線；B）在560nm波長(zhǎng)下記錄的薄膜B與薄膜C的瞬態(tài)光致發(fā)光衰減曲線；C）敏化體系中提出的能量轉(zhuǎn)移機(jī)制

產(chǎn)業(yè)影響：開(kāi)啟顯示技術(shù)新紀(jì)元，賦能多領(lǐng)域變革

超熒光 OLED 技術(shù)的突破將為智能手機(jī)、平板電腦、電視、VR/AR 設(shè)備等產(chǎn)品帶來(lái)全方位的體驗(yàn)升級(jí)。對(duì)于智能手機(jī)而言，超高亮度特性能夠使屏幕在強(qiáng)光環(huán)境下保持清晰可見(jiàn)，超低功耗則有助于提升設(shè)備續(xù)航能力，而超低效率滾降則確保了屏幕在高亮度顯示時(shí)的色彩一致性與穩(wěn)定性。特別是對(duì)于折疊屏手機(jī)等高端機(jī)型，該技術(shù)的柔性適配能力與長(zhǎng)壽命特性，能夠有效解決折疊屏面臨的功耗高、壽命短等問(wèn)題，進(jìn)一步推動(dòng)折疊屏手機(jī)的普及。

在電視領(lǐng)域，超熒光 OLED 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的亮度、更純的色彩與更低的功耗，為 8K 超高清電視與 HDR 電視提供理想的顯示解決方案。傳統(tǒng) OLED 電視雖然對(duì)比度表現(xiàn)優(yōu)異，但亮度不足一直是其短板，此項(xiàng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的器件峰值亮度達(dá)到 5000 cd/m2 以上，能夠完美呈現(xiàn) HDR 內(nèi)容的明暗細(xì)節(jié)，帶來(lái)更為震撼的視覺(jué)體驗(yàn)。同時(shí)，由于無(wú)需依賴貴金屬材料，器件成本有望進(jìn)一步降低，加速 OLED 電視在中端市場(chǎng)的滲透。

在 VR/AR 設(shè)備方面，超熒光 OLED 的高亮度、高分辨率與低功耗特性具有天然優(yōu)勢(shì)。VR 設(shè)備對(duì)顯示器件的亮度、分辨率與響應(yīng)速度要求極高，而超熒光 OLED 能夠在實(shí)現(xiàn)超高像素密度的同時(shí)，保持低功耗與高刷新率，有效緩解 VR 設(shè)備的續(xù)航壓力與發(fā)熱問(wèn)題。AR 設(shè)備則需要顯示器件具備高亮度與高透明度，該技術(shù)的超高亮度特性能夠確保 AR 圖像在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的清晰可見(jiàn)。

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