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CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，最近，千葉大學(xué)研究生院的宮前孝行教授和鏑城龍也博士等人組成的研究小組，開(kāi)發(fā)了一種針對(duì)OLED等有機(jī)電致發(fā)光器件，在施加電壓驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)下，檢測(cè)器件內(nèi)部電位分布狀態(tài)的一種完全新的測(cè)量手法。據(jù)了解，通過(guò)使用該方法檢測(cè)不同構(gòu)成的有機(jī)電致發(fā)光器件，研究人員能夠了解這些有機(jī)電致發(fā)光器件內(nèi)部一些超薄有機(jī)層的狀態(tài)信息，使它能夠通過(guò)優(yōu)化器件內(nèi)部原本產(chǎn)生的電位狀態(tài)，提高這些器件的發(fā)光效率和壽命。
根據(jù)這個(gè)測(cè)量法，研究人員解釋了這種延長(zhǎng)下一代有機(jī)電致發(fā)光器件壽命的動(dòng)作機(jī)制，顯然該方案為市場(chǎng)和學(xué)術(shù)界打開(kāi)了進(jìn)一步降低有機(jī)電致發(fā)光器件功耗和成本的必要的新材料開(kāi)發(fā)可能。另外，把這些新材料用于實(shí)際的元件時(shí)獲得的電荷輸送特性，有望能夠幫助我們更好地從分子層面理解電致發(fā)光器件的工作機(jī)制。
本研究成果于2025年3月10日刊登在英國(guó)學(xué)術(shù)雜志Journal of Materials Chemistry C上。
研究背景
眾所周知，以O(shè)LED為典型的有機(jī)電致發(fā)光器件，已經(jīng)廣泛用于一些超薄電視和智能手機(jī)等的顯示器上。這些有機(jī)電致發(fā)光器件通常使用了一種包括電子和空穴傳輸層、電子和空穴阻擋層以及發(fā)光層在內(nèi)的多層結(jié)構(gòu)，其中，用于傳輸和阻擋電子和空穴的功能層將電子和空穴以盡可能高的效率傳送到發(fā)光層中，發(fā)光層基于此實(shí)現(xiàn)電致發(fā)光。通常，這些功能層和發(fā)光層的厚度都非常薄，可能只有幾百納米，所以這些發(fā)光器件也非常適合用來(lái)制作一些柔性和“彎曲”的特殊顯示器。
為了讓這些有機(jī)電致發(fā)光器件進(jìn)一步高功能化、節(jié)能化，理論上必須讓注入的電荷有效地到達(dá)發(fā)光層，并使其復(fù)合。為此，研究和設(shè)計(jì)人員必須要能夠在實(shí)際的器件層面，詳細(xì)地理解這些有機(jī)材料內(nèi)部和不同的有機(jī)層界面的電荷的生成和輸送行為。不過(guò)，一直以來(lái)，真正了解有機(jī)電致發(fā)光元件內(nèi)部電荷的各種行為，并不是一件容易的事情。因此，尋找一種非破壞性的手段來(lái)研究有機(jī)電致發(fā)光器件內(nèi)部有機(jī)層中電荷的生成和輸送行為的方法和技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急。
研究成果
一直以來(lái)，研究人員將和頻振動(dòng)光譜法（SFG光譜法，Sum frequency generation）作為選擇性測(cè)量和評(píng)估材料表面及界面分子信息的方法，它能夠推進(jìn)人們對(duì)有機(jī)物界面的評(píng)估與分析技術(shù)的研究。當(dāng)樣品中存在電場(chǎng)時(shí)，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種被稱為 “電場(chǎng)誘導(dǎo)效應(yīng)” 的效果，即根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度，所得到的 SFG 信號(hào)強(qiáng)度會(huì)增加。通過(guò)利用這種電場(chǎng)誘導(dǎo)效應(yīng)，研究人員在驅(qū)動(dòng)有機(jī)電致發(fā)光器件時(shí)，就能夠以高靈敏度選擇性地研究器件內(nèi)部存在的電荷信息。
在這項(xiàng)研究中，研究人員進(jìn)一步改進(jìn)了現(xiàn)有的SFG光譜儀，進(jìn)而開(kāi)發(fā)了一種新的技術(shù)。如圖1所示，這種方法能夠讓生成“電子和頻率產(chǎn)生光譜（ESFG光譜）”成為可能，也就是說(shuō)，研究人員能夠利用這種新的方法獲得界面處的電子光譜。據(jù)介紹，通過(guò)向有機(jī)電致發(fā)光器件上照射可以自由改變波長(zhǎng)的可見(jiàn)光和近紅外光，研究人員可以選擇性地取得物質(zhì)界面的紫外可見(jiàn)吸收光譜。不僅如此，在如上樣品器件中施加電場(chǎng)時(shí)，研究人員能夠利用該電場(chǎng)的大小和方向信號(hào)強(qiáng)度的變化，以實(shí)現(xiàn)特定的“電場(chǎng)誘導(dǎo)效果”，這樣就可以實(shí)時(shí)測(cè)量、分析以具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有機(jī)電致發(fā)光器件為主要對(duì)象的器件內(nèi)部電荷移動(dòng)狀態(tài)。
首先，以具有如下圖 2 所示結(jié)構(gòu)的有機(jī)電致發(fā)光二極管（OLED1）作為測(cè)量樣品，通過(guò)改變構(gòu)成該器件的材料，制作出三種不同的有機(jī)電致發(fā)光二極管：一種是電流 - 電壓特性差異較小的器件（OLED2），以及一種與 OLED1 電流 - 電壓特性差異較大的器件（OLED3）。研究人員對(duì)這三種器件分別測(cè)量其電場(chǎng)誘導(dǎo)和頻產(chǎn)生光譜（ESFG）的電壓響應(yīng)后發(fā)現(xiàn)，OLED1 和 OLED2 內(nèi)部的電位分布不同，而 OLED2 的內(nèi)部電位分布與電流 - 電壓特性較低的 OLED3 相近。OLED2 和 OLED3 共同的特點(diǎn)是在發(fā)光層和電子傳輸層之間插入了一種名為 BAlq（圖 2 右上方，紅色圓圈標(biāo)記的分子）的有機(jī)物。實(shí)際上，使用這種 BAlq 的器件，其特點(diǎn)就是器件的亮度壽命會(huì)變長(zhǎng)。通過(guò)在有機(jī)電致發(fā)光二極管中添加這個(gè) BAlq 層，研究人員了解到器件內(nèi)部，尤其是施加在空穴傳輸層上的電位分布狀態(tài)的變化情況，實(shí)際上，各有機(jī)層的電位平衡也改變了。
此外，研究人員還通過(guò)ESFG分析發(fā)現(xiàn)，在 OLED1 中，注入的電荷在發(fā)光層與作為空穴傳輸層的 NPD 層的界面處復(fù)合并發(fā)光（如圖 3 上部分），而在插入了 BAlq 的電致發(fā)光器件中，空穴能夠到達(dá)發(fā)光層 和 BAlq 的界面，可以看出，此時(shí)的電致發(fā)光器件的發(fā)光界面發(fā)生了移動(dòng)（如圖 3 下部分）。研究人員在 OLED1 中觀察到，由于效率滾降導(dǎo)致了電致發(fā)光器件發(fā)光效的率降低，而在插入了 BAlq 的 OLED2 和 OLED3 中則沒(méi)有出現(xiàn)這種現(xiàn)象，特別是在 OLED2 中，高亮度區(qū)域的電流效率甚至比 OLED1 更高。可以看出，要降低電致發(fā)光器件的效率滾降，改變發(fā)光位置是一種有效的手段。
另一方面，通過(guò)插入 BAlq層，構(gòu)成電致發(fā)光器件的各個(gè)有機(jī)層所分擔(dān)的電位平衡也發(fā)生了變化，其中，發(fā)光層中電致發(fā)光的位置也改變了。由此可以看出，增加BAlq層，極端偏置的電荷局域化現(xiàn)象得到消除，所以效率滾降得以降低，結(jié)果是在顯示高亮度的區(qū)域中，電流效率得到了提升，這一新發(fā)現(xiàn)揭示了一種器件發(fā)光效率提高的機(jī)制。另外，使用 BAlq 還能夠消除界面處過(guò)度的電荷集中，這也能夠合理地解釋器件壽命延長(zhǎng)的機(jī)制，即通過(guò)這種方式器件的壽命得以延長(zhǎng)。
展望
通過(guò)本研究發(fā)現(xiàn)，在堆疊有機(jī)材料時(shí)，設(shè)計(jì)人員通過(guò)適當(dāng)選擇材料，可以控制器件內(nèi)部各有機(jī)層的電位平衡。在以O(shè)LED為典型的各種有機(jī)器件中，不僅材料開(kāi)發(fā)很重要，器件設(shè)計(jì)也已成為一個(gè)提升性能的非常關(guān)鍵的因素。
本研究的成果為器件設(shè)計(jì)新提供了一種能夠使用實(shí)際器件進(jìn)行性能評(píng)估的方法，有望在未來(lái)應(yīng)用于提高有機(jī)器件的性能，以及分析因長(zhǎng)時(shí)間驅(qū)動(dòng)而導(dǎo)致器件劣化的原因。此外，該方法不僅局限于OLED，它還能用來(lái)通過(guò)界面設(shè)計(jì)提高有機(jī)太陽(yáng)能電池等器件，也學(xué)在未來(lái)還有更多領(lǐng)域的應(yīng)用。
