不再“烧屏”：等离激元“保驾”OLED

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撰稿：Gavin（香港科技大学 博士生）

有机发光二极管（OLED）因其低能耗，高色彩饱和度和可柔性化等特点，已经被大规模商业化生产，应用在各类显示产品中。然而，除了发光效率有待进一步提升以外，困扰OLED产品的一大痛点便是由于老化引起的“烧屏”问题。效率及稳定性的提高已是OLED技术的重要前进方向。

图源：VEER

近日，Nature杂志期刊在线报道了一种通过利用表面等离激元系统（plasmonic system）同时提高OLED器件稳定性和发光效率的方法；在相同发光亮度下，可获得两倍的稳定性提升。

这项工作由OLED全球领导者，美国环宇显示技术公司（Universal Display Corporation，简称UDC）（

）Nicholas J. Thompson等人提出，以“Plasmonic enhancement of stability and brightness in organic light-emitting devices”为题。

在本文中，研究人员展示了运用等离激元模式增强衰减率（decay rate），以降低OLED器件中三线态激子密度进而提高器件稳定性；同时，银纳米颗粒（Ag nanocubes）的运用可有效耦合出等离激元模式能量，并提高器件发光效率。

这一方法无需改变OLED器件架构或专门的发光材料修饰，因而适用于目前包括照明面板、移动设备、电视等所有商业化OLED产品中。

随着技术进步及成本降低，OLED器件已经广泛应用于各类显示产品中，并成为未来主流显示技术的可选方案之一。但是，目前的OLED产品的 “烧屏”问题亟待解决。在OLED器件工作中，缓慢衰减的三线态激子淬灭现象会降低器件外量子效率（EQE）；而为保持相同发光亮度，则需增大驱动电流，进一步加重器件的老化。老化后的器件除了效率降低外，还会形成残影，即“烧屏”。

因此，降低三线态激子密度可以减轻效率下降，提高稳定性，避免“烧屏”。

表面等离激元存在于金属与电介质之间的界面上，这种电子沿金属表面的集体振荡导致很强的电场并可有效提高衰减率。通常，OLED器件电极附近的表面等离激元模式被认为是一种损耗而被尽量避免，因为激子能量通过非辐射表面等离激元模式以热的形式耗散。

而在本文中，研究人员打破常规，恰恰利用了OLED器件金属电极附近产生的表面等离激元模式来提高衰减率，降低激子密度，进而提高稳定性。不仅如此，在提高了器件稳定性的同时，发光效率并未降低；其秘诀在于作者独辟蹊径，巧妙利用银纳米颗粒耦合表面等离激元模式，提取能量并产生发光。

图1 NPA器件结构示意图

图源：Nature 585, 379–382 (2020), Fig.1

器件结构如图1所示，作者称其为“等离子体纳米天线”（plasmon nanopatch Antenna，NPA）。其中发射层在银阴极的20 nm以内，以此耦合到表面等离激元模式以提高衰减速率。器件表面随机分布的银纳米颗粒可与电极附近的表面等离激元模式耦合，提取能量并发光。

图2 a,加速老化稳定性测试；b,器件EQE对比；c,瞬态EL测试结果

图源：Nature 585, 379–382 (2020), Fig.2

从图2可以看到，与传统器件对比，NPA器件显示出更强稳定性（图2.a）,更低的相对外量子效率衰减（图2.b）和更短的激子平均寿命（图2.c），有力印证了NPA器件的稳定性提高及其作用机制。

值得注意的是，相较于传统器件的底发射（bottom emission）模式，NPA器件体现出底发射与顶发射（top emission）同时存在的特性，再次明确展示出银纳米颗粒对于器件中表面等离激元模式的耦合与提取。在FDTD仿真图中，通过对比可以明显看到银纳米颗粒与银电极层之间的电场加强，以及银纳米颗粒向自由空间的电场辐射。

作者在本文中利用逆向思维，通过利用通常认为对OLED有害的表面等离激元模式，成功实现了对器件稳定性的提升；而其中的点睛之笔便是对银纳米颗粒的运用，可以有效耦合等离激元模式并提取发光。

化腐朽为神奇，作者为OLED器件的发展之路指出了新方向，有望实现包括低成本照明、高速调制、高亮度应用在内的全新篇章。

文章信息

Fusella, M.A., Saramak, R., Bushati, R. et al. Plasmonic enhancement of stability and brightness in organic light-emitting devices. Nature 585, 379–382 (2020).

论文地址

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2684-z

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