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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

磷光有机发光器件（PHOLED）由于具有高效率、高亮度和颜色可调性而广泛应用于显示和照明应用。然而，由于降解基本上是由能量驱动的，因此与绿色和红色 PHOLED 相比，显示器中使用的蓝色 PHOLED 的寿命极短，限制了其实际应用。

蓝色PHOLED的应用主要存在以下问题：

1、克服蓝色PHOLED的短寿命是有机电子领域最具挑战性的问题之一

导致蓝色 PHOLED 寿命缩短的主要能量驱动机制是三重态-极化子 (TPA)或三重态-三重态湮没 (TTA)，这些反应将激发态能量提高了约一杯，高达~6.0 eV，这足以破坏分子内键，将有机分子转化为非辐射猝灭中心。

2、已报道的OLED寿命延长方法存在兼容性问题

为了在保持高效率的同时最大限度地减少高能湮灭事件的可能性，应通过快速辐射能量转移来降低三重态密度，已报道的提高衰减率的方法使绿色 PHOLED 的寿命延长了一倍，但这种技术带来了与全彩、稳定和可扩展的显示器制造不兼容的复杂性。    

有鉴于此，密歇根大学Stephen R. Forrest等人展示了蓝光PHOLED 中偏振子增强的Purcell效应，发现等离子体激子极化激元 (PEP) 显着增加了Purcell效应的强度，并在蓝光PHOLED 的50 nm厚发射层上实现了2.4±0.2的平均Purcell因子。与传统 PHOLED 中的使用相比，LT90（青色发射 Ir 络合物器件的 PHOLED 亮度衰减到其初始值的90%所需的时间）提高了 5.3 倍。将色度坐标移动到（0.14, 0.14)和 (0.15, 0.20) 进入深蓝色，Purcell 增强型器件比类似的深蓝色 PHOLED 实现了10-14 倍的改进，其中一种结构达到了迄今为止报道的最长 Ir 络合物器件寿命 LT90 = 140 ± 20 h。极化激元增强的Purcell效应和微腔工程为延长深蓝色 PHOLED 寿命提供了新的可能性。

技术方案：    

1、阐明了PEP和SPP分散工程

 作者通过测量和计算表明金属阴极/ ETL界面在ETL单线态激子与阴极SPP模式共振的波长处形成强耦合的PEP态。

2、探究了Purcell效应和能量转移率

作者展示了三种PHOLED器件结构，表明Ag/DBR腔体器件F具有较大的PF、与H相比增强的EQE以及较窄的发射光谱。

3、表征了PHOLED性能

作者表征了器件C1-3和F1-3的EQE、电致发光(EL)光谱和寿命，表明该器件设计没有相关的功率损失，且实现了将使用寿命提高了一个数量级。

技术优势：

1、报道了迄今为止寿命最长的深蓝色PHOLED器件

作者引入了极化激元增强的Purcell效应来延长蓝色 PHOLED 的使用寿命，获得了迄今为止报道的最长 Ir 络合物器件寿命 LT90 = 140 ± 20 h。

2、获得了具有长寿命、饱和发射和高EQE的蓝光PHOLED

作者通过设计PEP增强的Purcell效应，展示了基于深蓝色Ir (dmp)₃的PHOLED, 在50 nm厚的EML中，平均Purcell因子为PF=2.4 ± 0.2，最大限度地获得总的深蓝光光子输出，具有长的器件寿命、饱和发射和高EQE。

技术细节

PEP和SPP色散工程

 金属阴极/ ETL界面在ETL单线态激子与阴极SPP模式共振的波长处形成强耦合的PEP态。作者展示了测量和计算的角度分辨光谱之间的匹配。Al/BPyTP2 组合色散的强耦合 PEP 分裂为上极化子 (UP)、中极化子 (MP) 和下极化子 (LP) 分支。角光致发光(PL)显示 Ag/BPyTP2 PEP LP 分支的 PL 强度比其他三个阴极/ETL 高两个数量级，表明 SPP 和 ETL 激子之间的混合增强。强耦合发生在 ETL 和阴极之间，并且由于三重态的振荡强度较低，蓝色磷光体发射的三重态在弱耦合状态下转移到 PEP。    

图  等离子体激子极化(PEP)增强的Purcell效应

图  极化激元色散工程    

 Purcell效应和能量转移率

作者展示了标记为C、H和F的几种 PHOLED 结构。三个原型 Ir(dmp)₃ 器件中465-475nm处的辐射和非辐射通道的计算分布表明，与C中向Al SPP 的微弱能量转移相比，器件H和F中通过Ag/BPyTP2或Ag/SF3Trz附近增强的极化子能量转移增加了 ODoS 和 PF。通过提高辐射率来降低三线态密度，从而减少 TPA/TTA 缺陷的产生，辐射率与 PF 成正比。因此，器件H和F中的缺陷产生速率减慢。Ag/DBR腔体器件F具有较大的PF、与H相比增强的EQE以及较窄的发射光谱。与半腔相比，全Ag/DBR腔样品显示出可忽略不计的变化，表明低Q Ag/DBR腔模对PF影响不大。

图  蓝色磷光有机发光二极管（PHOLED）的光学工程

PHOLED性能

作者表征了器件C1-3和F1-3的EQE和电致发光(EL)光谱，鉴于表面极化子模式在面外方向呈指数衰减，具有较厚ETL的PEP增强型F3具有比SPP增强型F1略高的PF，并且出耦合效率提高了45%。除了将青色发射转换为深蓝色外，低Q Ag/DBR 腔模式对发射光谱的角度依赖性影响很小。从C到F，电流-电压特性显示使用相同ETL的器件没有变化，表明该器件设计没有相关的功率损失。寿命表征表明，从LT90到LT70，工作寿命与PF之间的幂律从m=2.4 ±0.3降至m=1.7±0.3，表明TPA和TTA对老化都有贡献。显然，通过提高辐射衰减率k_r来延长器件的使用寿命在老化过程的早期是最有效的。在低Q腔中引入PEP可以显着增加整个器件寿命期间的深蓝色光子总输出。基于之前的分级掺杂器件，本文的方法进一步实现了LT90的三倍增加和 ΔCIEy = -0.09±0.03 的偏移，保守估计F1比类似的深蓝色Ir基 PHOLED 提高了 14 倍。

图  Ir(dmp)₃器件性能总结

总之，作者证明了PHOLED中的Purcell效应通过等离子体激子极化激元 (PEP) 被极化激元显着增强，从而在保持高EQE的同时显著延长了深蓝光器件的工作寿命。极化子色散和微腔工程为 OLED 的设计提供了新的自由度。作者展示了器件工作寿命和PF之间的1.7-2.4 幂律依赖性，显示了该技术显着延长 PHOLED 寿命的潜力，特别是在深蓝色的显示和照明应用中。

参考文献：

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