特別說明：本文由米測技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識。因?qū)W識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創(chuàng)丨彤心未泯（學(xué)研匯 技術(shù)中心）
編輯丨風(fēng)云
磷光有機(jī)發(fā)光器件（PHOLED）由于具有高效率、高亮度和顏色可調(diào)性而廣泛應(yīng)用于顯示和照明應(yīng)用。然而，由于降解基本上是由能量驅(qū)動的，因此與綠色和紅色 PHOLED 相比，顯示器中使用的藍(lán)色 PHOLED 的壽命極短，限制了其實(shí)際應(yīng)用。
藍(lán)色PHOLED的應(yīng)用主要存在以下問題：
1、克服藍(lán)色PHOLED的短壽命是有機(jī)電子領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的問題之一
導(dǎo)致藍(lán)色 PHOLED 壽命縮短的主要能量驅(qū)動機(jī)制是三重態(tài)-極化子 (TPA)或三重態(tài)-三重態(tài)湮沒 (TTA)，這些反應(yīng)將激發(fā)態(tài)能量提高了約一杯，高達(dá)~6.0 eV，這足以破壞分子內(nèi)鍵，將有機(jī)分子轉(zhuǎn)化為非輻射猝滅中心。
2、已報道的OLED壽命延長方法存在兼容性問題
為了在保持高效率的同時最大限度地減少高能湮滅事件的可能性，應(yīng)通過快速輻射能量轉(zhuǎn)移來降低三重態(tài)密度，已報道的提高衰減率的方法使綠色 PHOLED 的壽命延長了一倍，但這種技術(shù)帶來了與全彩、穩(wěn)定和可擴(kuò)展的顯示器制造不兼容的復(fù)雜性。
有鑒于此，密歇根大學(xué)Stephen R. Forrest等人展示了藍(lán)光PHOLED 中偏振子增強(qiáng)的Purcell效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)等離子體激子極化激元 (PEP) 顯著增加了Purcell效應(yīng)的強(qiáng)度，并在藍(lán)光PHOLED 的50 nm厚發(fā)射層上實(shí)現(xiàn)了2.4±0.2的平均Purcell因子。與傳統(tǒng) PHOLED 中的使用相比，LT90（青色發(fā)射 Ir 絡(luò)合物器件的 PHOLED 亮度衰減到其初始值的90%所需的時間）提高了 5.3 倍。將色度坐標(biāo)移動到（0.14, 0.14)和 (0.15, 0.20) 進(jìn)入深藍(lán)色，Purcell 增強(qiáng)型器件比類似的深藍(lán)色 PHOLED 實(shí)現(xiàn)了10-14 倍的改進(jìn)，其中一種結(jié)構(gòu)達(dá)到了迄今為止報道的最長 Ir 絡(luò)合物器件壽命 LT90 = 140 ± 20 h。極化激元增強(qiáng)的Purcell效應(yīng)和微腔工程為延長深藍(lán)色 PHOLED 壽命提供了新的可能性。
技術(shù)方案：
1、闡明了PEP和SPP分散工程
作者通過測量和計算表明金屬陰極/ ETL界面在ETL單線態(tài)激子與陰極SPP模式共振的波長處形成強(qiáng)耦合的PEP態(tài)。
2、探究了Purcell效應(yīng)和能量轉(zhuǎn)移率
作者展示了三種PHOLED器件結(jié)構(gòu)，表明Ag/DBR腔體器件F具有較大的PF、與H相比增強(qiáng)的EQE以及較窄的發(fā)射光譜。
3、表征了PHOLED性能
作者表征了器件C1-3和F1-3的EQE、電致發(fā)光(EL)光譜和壽命，表明該器件設(shè)計沒有相關(guān)的功率損失，且實(shí)現(xiàn)了將使用壽命提高了一個數(shù)量級。
技術(shù)優(yōu)勢：
1、報道了迄今為止壽命最長的深藍(lán)色PHOLED器件
作者引入了極化激元增強(qiáng)的Purcell效應(yīng)來延長藍(lán)色 PHOLED 的使用壽命，獲得了迄今為止報道的最長 Ir 絡(luò)合物器件壽命 LT90 = 140 ± 20 h。
2、獲得了具有長壽命、飽和發(fā)射和高EQE的藍(lán)光PHOLED
作者通過設(shè)計PEP增強(qiáng)的Purcell效應(yīng)，展示了基于深藍(lán)色I(xiàn)r (dmp)3的PHOLED, 在50 nm厚的EML中，平均Purcell因子為PF=2.4 ± 0.2，最大限度地獲得總的深藍(lán)光光子輸出，具有長的器件壽命、飽和發(fā)射和高EQE。
技術(shù)細(xì)節(jié)
PEP和SPP色散工程
金屬陰極/ ETL界面在ETL單線態(tài)激子與陰極SPP模式共振的波長處形成強(qiáng)耦合的PEP態(tài)。作者展示了測量和計算的角度分辨光譜之間的匹配。Al/BPyTP2 組合色散的強(qiáng)耦合 PEP 分裂為上極化子 (UP)、中極化子 (MP) 和下極化子 (LP) 分支。角光致發(fā)光(PL)顯示 Ag/BPyTP2 PEP LP 分支的 PL 強(qiáng)度比其他三個陰極/ETL 高兩個數(shù)量級，表明 SPP 和 ETL 激子之間的混合增強(qiáng)。強(qiáng)耦合發(fā)生在 ETL 和陰極之間，并且由于三重態(tài)的振蕩強(qiáng)度較低，藍(lán)色磷光體發(fā)射的三重態(tài)在弱耦合狀態(tài)下轉(zhuǎn)移到 PEP。
圖 等離子體激子極化(PEP)增強(qiáng)的Purcell效應(yīng)
圖 極化激元色散工程
Purcell效應(yīng)和能量轉(zhuǎn)移率
作者展示了標(biāo)記為C、H和F的幾種 PHOLED 結(jié)構(gòu)。三個原型 Ir(dmp)3 器件中465-475nm處的輻射和非輻射通道的計算分布表明，與C中向Al SPP 的微弱能量轉(zhuǎn)移相比，器件H和F中通過Ag/BPyTP2或Ag/SF3Trz附近增強(qiáng)的極化子能量轉(zhuǎn)移增加了 ODoS 和 PF。通過提高輻射率來降低三線態(tài)密度，從而減少 TPA/TTA 缺陷的產(chǎn)生，輻射率與 PF 成正比。因此，器件H和F中的缺陷產(chǎn)生速率減慢。Ag/DBR腔體器件F具有較大的PF、與H相比增強(qiáng)的EQE以及較窄的發(fā)射光譜。與半腔相比，全Ag/DBR腔樣品顯示出可忽略不計的變化，表明低Q Ag/DBR腔模對PF影響不大。
圖 藍(lán)色磷光有機(jī)發(fā)光二極管（PHOLED）的光學(xué)工程
PHOLED性能
作者表征了器件C1-3和F1-3的EQE和電致發(fā)光(EL)光譜，鑒于表面極化子模式在面外方向呈指數(shù)衰減，具有較厚ETL的PEP增強(qiáng)型F3具有比SPP增強(qiáng)型F1略高的PF，并且出耦合效率提高了45%。除了將青色發(fā)射轉(zhuǎn)換為深藍(lán)色外，低Q Ag/DBR 腔模式對發(fā)射光譜的角度依賴性影響很小。從C到F，電流-電壓特性顯示使用相同ETL的器件沒有變化，表明該器件設(shè)計沒有相關(guān)的功率損失。壽命表征表明，從LT90到LT70，工作壽命與PF之間的冪律從m=2.4 ±0.3降至m=1.7±0.3，表明TPA和TTA對老化都有貢獻(xiàn)。顯然，通過提高輻射衰減率kr來延長器件的使用壽命在老化過程的早期是最有效的。在低Q腔中引入PEP可以顯著增加整個器件壽命期間的深藍(lán)色光子總輸出。基于之前的分級摻雜器件，本文的方法進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了LT90的三倍增加和 ΔCIEy = -0.09±0.03 的偏移，保守估計F1比類似的深藍(lán)色I(xiàn)r基 PHOLED 提高了 14 倍。
圖 Ir(dmp)3器件性能總結(jié)
總之，作者證明了PHOLED中的Purcell效應(yīng)通過等離子體激子極化激元 (PEP) 被極化激元顯著增強(qiáng)，從而在保持高EQE的同時顯著延長了深藍(lán)光器件的工作壽命。極化子色散和微腔工程為 OLED 的設(shè)計提供了新的自由度。作者展示了器件工作壽命和PF之間的1.7-2.4 冪律依賴性，顯示了該技術(shù)顯著延長 PHOLED 壽命的潛力，特別是在深藍(lán)色的顯示和照明應(yīng)用中。
參考文獻(xiàn)：
Zhao, H., Arneson, C.E., Fan, D. et al. Stable blue phosphorescent organic LEDs that use polariton-enhanced Purcell effects. Nature (2023).
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06976-8
