OLED屏幕效率升级：实现蓝色PHOLED长寿命的途径

"这一成果将蓝光的寿命带入了绿光的领域，"电气工程领域的Peter A. Franken杰出大学讲席教授、该研究在《自然·光子学》期刊上的通讯作者Stephen Forrest表示。

"我不敢说问题已完全解决——在它进入显示器之前当然算不上真正解决——但我认为我们已经展示了一条通往真正解决方案的路径，而这个方案已经困扰学界长达二十年之久。"

OLED屏幕是旗舰智能手机和高端电视的标准配置，可提供高对比度和高能效，因为亮度变化是由发光体本身实现的，而非依靠顶部的液晶层。然而，并非所有OLED都具备同样的能效。

在当前显示器中，红色和绿色OLED通过高效率的磷光途径产生光线，而蓝色OLED仍使用荧光技术。这意味着虽然红绿OLED理论上能达到每个流过器件的电子产生一个光子的效率上限，但蓝色OLED的效率上限则低得多。

问题在于蓝光是RGB器件必须产生的最高能量光：蓝色磷光OLED（PHOLED）中的分子需要比红绿分子承受更高的能量。大部分能量以蓝光形式释放，但当能量被束缚时，反而会破坏产色分子。

此前，Forrest团队发现通过在负电极上添加特殊涂层，可加速束缚能量的释放，促使其转化为蓝光。物理学博士毕业生Haonan Zhao将其比喻为创建了一条快车道。

"在车道不足的道路上，急躁的司机可能相撞导致交通中断——正如两个激子相互碰撞产生大量破坏分子的高能热量，"该研究及新论文的第一作者Zhao解释道，"等离子激元-激子极化激元正是我们为激子设计的'光学快车道'。"

其原理基于量子力学：当电子通过负电极进入时，会在某个蓝光分子中形成激发态。该态包含跃迁至高能级的带负电电子，以及留下带正电的"空穴"——两者共同构成激子。

理想情况下，电子应迅速返回基态并发射蓝色光子。但采用磷光途径的激子往往滞留时间较长，直接弛豫将违反量子力学法则。不过，靠近电极的激子能更快产生光子，因为金属的光亮表面支撑着另一种量子准粒子——表面等离子体激元（如同金属表面电子海洋的涟漪）。

若发光材料中的激子足够接近电极，其向蓝光的转化将获得助力：通过将能量倾注给表面等离子体激元（即珀塞尔效应）。这是因为激子振荡类似于广播天线，可在电极电子中产生波动。但这并非必然有效——并非所有表面等离子体激元都能产生光子。为获得光子，激子必须附着于表面等离子体激元，形成等离子激元-激子极化激元。

Forrest团队通过在光亮电极上添加超薄碳基半导体层，促使激子以正确方式共振传递能量。该设计还将效应延伸至发光材料更深处，使远离电极的激子也能受益。

团队去年报道了此效应，随后将其与其他技术结合，最终制造出寿命与亮度均媲美绿光的蓝色PHOLED。设计亮点包括：

• 双发光层（串联OLED）：将每层发光负担减半，降低激子合并概率

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  增加辅助层：促使激子在双电极附近与表面等离子体激元共振，确保双发光层皆可接入"快车道"

• 整体光学腔结构：蓝光在镜面电极间共振，将光子色彩更深地推入蓝光波段

本研究部分获得美国能源部及通用显示公司支持。

密歇根大学物理学博士生Claire Arneson亦参与此项研究。

器件在Lurie纳米加工中心制造，并在密歇根材料表征中心进行研究。

团队已通过密歇根大学创新合作办公室申请专利，并授权予通用显示公司。Forrest及密歇根大学在通用显示公司拥有经济利益。

Forrest同时担任Paul G. Goebel讲席教授，兼任电气与计算机工程、材料科学与工程、物理学及应用物理学教授。