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来源：密歇根大学
CINNO Research产业资讯，得益于超薄柔性潜力、超大视角、超高对比度和超低响应时间等优异的性能优势，OLED显示器已经在很多领域慢慢取代传统LCD显示器。不过，目前的OLED显示器因为发光材料的特性也还存在诸如发光效率、寿命和烧屏等问题，从第一代的荧光有机发光材料、第二代的磷光有机发光材料到最新的TADF和Hyper-Fluorescent等材料，为了更好的完善OLED显示器，学界和业界都展开了广泛的攻关研究。
最近，一个由密歇根大学研究人员领导的国际合作团队开发出了一种新型OLED发光材料。该材料使用新的混合材料，取代了现有基于重金属的有机发光材料，测试结果显示，新方案能够保持原有方案的颜色表现力和超高的对比度，可以作为新的升级方案用于当前电视、智能手机或其他显示器的OLED显示屏。
除此以外，还有一点让研究人员感到奇怪，那就是这种新开发的材料似乎也同时打破了现有的量子规则。如前述，目前市场上的OLED显示屏所使用的第二代磷光有机发光材料，通常包含铱和铂等重金属元素和成分，这些可以提高OLED屏幕的发光效率、亮度和色域大小。不过，它们也有一些明显的缺点，比如使用这些材料的OLED显示器成本明显更高，设备的寿命更短，其源自重金属使用造成的健康和环境危害增加。
实际上，在OLED显示器中，第二代磷光有机发光材料之所以被提出，且已经在红色和绿色发光材料领域取代第一代荧光发光材料，其主要原因是磷光发光材料的发光效率更高，相应的OLED显示器更加节能。但另一方面，磷光发光从机制上看其发光速度比荧光更慢，在没有重金属元素成分的情况下需要几毫秒甚至更长时间。从实际应用情况来看，提高磷光发光速度到微秒量级甚至超过该量级一直都是现代显示器设计所希望看到的，毕竟目前很多显示器都需要以每秒120帧的速度运行，更快得发光速度可以避免OLED显示时产生挥之不去的“重影”图像，这也是第二代磷光发光材料中加入重金属元素的关键作用之一。
增加重金属元素可以提高磷光有机发光材料的发光速度，但是却因为重金属元素的存在引入了其他一些问题，比如环境危害等。
“我们找到了一种新的制造磷光有机发光材料分子的方法，这种发光材料分子可以在微秒量级的时间内发光，更重要的是这种新的磷光发光分子种不含有重金属元素，”密歇根大学材料科学与工程教授Jinsang Kim道说，他是这一成果发表在《自然通讯》期刊上的作者之一。
除了Jinsang Kim教授以外，韩国仁和大学化学与生物医学科学与工程教授Dong-Hyuk Park和成均馆大学先进材料科学与工程系教授Sunkook Kim也都是合作者。
据介绍，荧光和磷光发光机制之间的速度差，主要和流经OLED材料电流中的电子滑入分子可用电子轨道内的高能级（也被称为激发态）后所发生的事情有关。在荧光发光机制中，这些处于激发态的激子会立即以光的形式释放能量，返回基态。但在磷光发光机制中，这些激子则必须先进行转换，然后才能以光的形式释放能量，然后返回基态。
这种转换与电子的自旋有关。每个电子在基态都有一个耦合对象，量子力学规则——泡利不相容原理——要求这两个电子以相反的方向自旋。不过，当其中一个电子激发到更高能级的轨道上时，该电子的自旋方向最终可能会发生变化，因为这两个电子现在都处于单独在轨道上。此时，高能级的电子只有四分之一的几率和原来的耦合电子的自旋方向相反，也就是说只有这四分之一的几率发出荧光。
对比来看，磷光的发光效率提高了三倍，因为它能够利用其他四分之三的激发电子，不过它要求电子在返回之前翻转其自旋状态。在传统的磷光发光材料中，其所使用重金属的大原子核会产生一个磁场，该磁场能够迫使相同自旋方向的激发电子快速转动，从而在返回基态时更快地发光。
为了在维持发光速度的同时，取消重金属元素的使用，研究人员提出了一种新的材料结构，它将二维的钼和硫沉积在类似的有机发光材料层附近，通过物理接近而无需任何化学键合的方式来实现相同的效果。最终，经过样品制作和测试，这种混合结构将发光速度提高了1000倍，达到了目前显示器所需要的微米量级发光速度。
据介绍，该发光过程完全发生在有机材料内，没有弱的金属-有机配体键合，所以它还有助于延长材料寿命。实际上，传统依赖重金属的磷光OLED需要使用重金属元素来帮助产生颜色，当两个激发的电子接触时，金属和有机材料之间较弱的化学键会断裂，进而使发光像素变暗。
像素烧屏是高能蓝光发光像素开发和制造的一个特殊问题，截止目前也没有得到很好地解决，不过现在这些研究人员希望他们的新设计方法可以帮助实现稳定的蓝色磷光像素制造。一个显示情况是，目前商业化的OLED通常使用磷光发光形式的红色和绿色像素搭配第一代荧光发光形式的蓝色像素，这也是设计人员以较低的能源效率为代价避免蓝色像素烧坏的不得已的方案。
除了潜在的应用之外，研究人员对这种分子混合系统的分析还测量到了一些曾经被认为是不可能的事情——共享轨道的成对电子在黑暗条件下似乎具有组合自旋，这意味着它们处于一种本该被禁止的“三重态”。
“我们还没有完全理解是什么导致了基态中的三重态，因为这违反了泡利不相容原理。这是非常不可能的，但从测量数据来看，情况似乎确实如此，”Kim说：“这让我们对真正让这种情况发生的原因有了更多的疑问。”
未来，该研究小组将继续探索该材料是如何实现三重态特征的基态的，同时除了OLED显示以外，还会探索潜在的自旋电子学器件应用。目前，该研究团队在密歇根大学创新伙伴关系的协助下申请了专利保护，并正在寻找合作伙伴来使用这种新型材料制造OLED等设备。
这项研究工作得到了韩国政府支持的韩国国家研究基金会资助，和密歇根大学工程学院的START项目的支持。另外，来自加州大学伯克利分校和东国大学的合作者为这项研究做出了贡献。
