OLED屏幕能效提升：实现蓝色磷光有机发光二极管的长寿命突破

"这将蓝色磷光器件的寿命推入了绿色磷光器件的范畴，" 电子工程学彼得·A·弗兰肯杰出大学教授、该研究在《自然·光子学》上的通讯作者斯蒂芬·福雷斯特说。

"我不能说问题已经完全解决——当然，在它进入你的显示屏之前都不算解决——但我认为我们已经展示了一条通往真正解决方案的道路，而这个解决方案二十年来一直困扰着该领域。"

OLED屏幕已成为旗舰智能手机和高端电视的标准配置，提供了高对比度和高能效，因为亮度变化是通过发光体而非顶层的液晶层实现的。然而，并非所有OLED都同样节能。

在目前的显示器中，红色和绿色OLED通过高效的磷光途径产生光线，而蓝色OLED仍在使用荧光技术。这意味着，虽然红色和绿色OLED理论上能达到流经器件的每个电子产生一个光子的上限，但蓝色OLED的效率上限却低得多。

问题在于蓝光是RGB器件必须产生的最高能量：蓝色磷光OLED（PHOLED）中的分子需要处理比红色和绿色对应物更高的能量。大部分能量以蓝光形式释放，但当能量被困住时，它反而会分解产生颜色的分子。

此前，福雷斯特的团队发现，通过在负极上添加一层涂层来帮助能量转化为蓝光，可以更快地释放被困住的能量。物理学博士毕业生赵浩楠（Haonan Zhao）表示，这就像开辟了一条快车道。

"在车道不足的道路上，不耐烦的司机可能会相互碰撞，阻断所有交通——就像两个激子相撞会产生大量破坏分子的热能一样，"该研究以及新研究的第一作者赵浩楠说。"等离激元激子极化激元（plasmon exciton polariton）是我们为激子设计的光学快车道。"

其细节基于量子力学。当一个电子从负极进入时，它会在一个产生蓝光的分子中产生所谓的激发态。该状态是一个带负电的电子跃迁到更高能级，同时留下一个带正电的"空穴"——它们共同构成了一个激子。

理想情况下，电子会迅速跳回原始状态并发射出一个蓝色光子，但使用磷光途径的激子往往会滞留。简单地弛豫回原始状态会违反量子力学定律。然而，非常靠近电极的激子产生光子的速度更快，因为光亮的表面支撑着另一种量子准粒子——表面等离激元（surface plasmons）。它们就像金属表面电子海洋中的涟漪。

如果发光材料中的激子足够靠近电极，它在转化为蓝光时会得到一点帮助，因为它可以将能量倾注到表面等离激元中——这种现象被称为珀塞尔效应（Purcell effect）。激子之所以能做到这一点，是因为它像广播天线一样轻微振荡，从而在电极的电子中产生波动。然而，这并非自动有益，因为并非所有表面等离激元都会产生光子。要获得光子，激子必须附着在表面等离激元上，形成等离激元激子极化激元。

福雷斯特的团队通过在光亮的电极上添加一层薄薄的碳基半导体来促进这一途径，该层帮助激子转移能量并以正确方式共振。它还将效应延伸到发光材料更深处，使远离电极的激子也能受益。

该团队去年报告了这一成果，此后他们一直将此效应与其他方法结合，最终制造出寿命与绿色磷光OLED一样长、亮度也相当的蓝色PHOLED。以下是该设计的亮点：

• 两个发光层（串联式OLED）：这使每层的发光负担减半，降低两个激子合并的几率。

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  添加一层帮助激子与靠近两个电极的表面等离激元共振，使两个发光层都能利用快车道

• 整个结构是一个光学微腔，蓝光在两个镜面般的电极之间共振。这将光子的颜色推向更深的蓝色范围。

本研究部分得到了美国能源部和环球显示公司（Universal Display Corporation）的支持。

密歇根大学物理学博士生克莱尔·阿内森（Claire Arneson）也对本研究做出了贡献。

该器件在卢里纳米加工中心（Lurie Nanofabrication Facility）制造，并在密歇根材料表征中心（Michigan Center for Materials Characterization）进行研究。

该团队在密歇根大学创新合作办公室（U-M Innovation Partnerships）的协助下已为此技术申请专利，并授权给环球显示公司（Universal Display Corp.）。福雷斯特和密歇根大学在环球显示公司拥有经济利益。

福雷斯特还担任工程学保罗·G·戈贝尔教授（Paul G. Goebel Professor of Engineering），并是电子计算机工程、材料科学与工程、物理学和应用物理学教授。