千叶大学开发出一种提升OLED显示器寿命和发光效率的方法

CINNO Research产业资讯，最近，千叶大学研究生院的宫前孝行教授和镝城龙也博士等人组成的研究小组，开发了一种针对OLED等有机电致发光器件，在施加电压驱动的状态下，检测器件内部电位分布状态的一种完全新的测量手法。据了解，通过使用该方法检测不同构成的有机电致发光器件，研究人员能够了解这些有机电致发光器件内部一些超薄有机层的状态信息，使它能够通过优化器件内部原本产生的电位状态，提高这些器件的发光效率和寿命。

根据这个测量法，研究人员解释了这种延长下一代有机电致发光器件寿命的动作机制，显然该方案为市场和学术界打开了进一步降低有机电致发光器件功耗和成本的必要的新材料开发可能。另外，把这些新材料用于实际的元件时获得的电荷输送特性，有望能够帮助我们更好地从分子层面理解电致发光器件的工作机制。

本研究成果于2025年3月10日刊登在英国学术杂志Journal of Materials Chemistry C上。

研究背景

众所周知，以OLED为典型的有机电致发光器件，已经广泛用于一些超薄电视和智能手机等的显示器上。这些有机电致发光器件通常使用了一种包括电子和空穴传输层、电子和空穴阻挡层以及发光层在内的多层结构，其中，用于传输和阻挡电子和空穴的功能层将电子和空穴以尽可能高的效率传送到发光层中，发光层基于此实现电致发光。通常，这些功能层和发光层的厚度都非常薄，可能只有几百纳米，所以这些发光器件也非常适合用来制作一些柔性和“弯曲”的特殊显示器。

为了让这些有机电致发光器件进一步高功能化、节能化，理论上必须让注入的电荷有效地到达发光层，并使其复合。为此，研究和设计人员必须要能够在实际的器件层面，详细地理解这些有机材料内部和不同的有机层界面的电荷的生成和输送行为。不过，一直以来，真正了解有机电致发光元件内部电荷的各种行为，并不是一件容易的事情。因此，寻找一种非破坏性的手段来研究有机电致发光器件内部有机层中电荷的生成和输送行为的方法和技术是当务之急。

研究成果

一直以来，研究人员将和频振动光谱法（SFG光谱法，Sum frequency generation）作为选择性测量和评估材料表面及界面分子信息的方法，它能够推进人们对有机物界面的评估与分析技术的研究。当样品中存在电场时，此时会产生一种被称为 “电场诱导效应” 的效果，即根据电场强度，所得到的 SFG 信号强度会增加。通过利用这种电场诱导效应，研究人员在驱动有机电致发光器件时，就能够以高灵敏度选择性地研究器件内部存在的电荷信息。

在这项研究中，研究人员进一步改进了现有的SFG光谱仪，进而开发了一种新的技术。如图1所示，这种方法能够让生成“电子和频率产生光谱（ESFG光谱）”成为可能，也就是说，研究人员能够利用这种新的方法获得界面处的电子光谱。据介绍，通过向有机电致发光器件上照射可以自由改变波长的可见光和近红外光，研究人员可以选择性地取得物质界面的紫外可见吸收光谱。不仅如此，在如上样品器件中施加电场时，研究人员能够利用该电场的大小和方向信号强度的变化，以实现特定的“电场诱导效果”，这样就可以实时测量、分析以具有复杂结构的有机电致发光器件为主要对象的器件内部电荷移动状态。

首先，以具有如下图 2 所示结构的有机电致发光二极管（OLED1）作为测量样品，通过改变构成该器件的材料，制作出三种不同的有机电致发光二极管：一种是电流 - 电压特性差异较小的器件（OLED2），以及一种与 OLED1 电流 - 电压特性差异较大的器件（OLED3）。研究人员对这三种器件分别测量其电场诱导和频产生光谱（ESFG）的电压响应后发现，OLED1 和 OLED2 内部的电位分布不同，而 OLED2 的内部电位分布与电流 - 电压特性较低的 OLED3 相近。OLED2 和 OLED3 共同的特点是在发光层和电子传输层之间插入了一种名为 BAlq（图 2 右上方，红色圆圈标记的分子）的有机物。实际上，使用这种 BAlq 的器件，其特点就是器件的亮度寿命会变长。通过在有机电致发光二极管中添加这个 BAlq 层，研究人员了解到器件内部，尤其是施加在空穴传输层上的电位分布状态的变化情况，实际上，各有机层的电位平衡也改变了。

此外，研究人员还通过ESFG分析发现，在 OLED1 中，注入的电荷在发光层与作为空穴传输层的 NPD 层的界面处复合并发光（如图 3 上部分），而在插入了 BAlq 的电致发光器件中，空穴能够到达发光层和 BAlq 的界面，可以看出，此时的电致发光器件的发光界面发生了移动（如图 3 下部分）。研究人员在 OLED1 中观察到，由于效率滚降导致了电致发光器件发光效的率降低，而在插入了 BAlq 的 OLED2 和 OLED3 中则没有出现这种现象，特别是在 OLED2 中，高亮度区域的电流效率甚至比 OLED1 更高。可以看出，要降低电致发光器件的效率滚降，改变发光位置是一种有效的手段。

另一方面，通过插入 BAlq层，构成电致发光器件的各个有机层所分担的电位平衡也发生了变化，其中，发光层中电致发光的位置也改变了。由此可以看出，增加BAlq层，极端偏置的电荷局域化现象得到消除，所以效率滚降得以降低，结果是在显示高亮度的区域中，电流效率得到了提升，这一新发现揭示了一种器件发光效率提高的机制。另外，使用 BAlq 还能够消除界面处过度的电荷集中，这也能够合理地解释器件寿命延长的机制，即通过这种方式器件的寿命得以延长。