由含碳材料制成的有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)有望在未來(lái)帶來(lái)顯示器的技術(shù)革命，比如用它們制造出可折疊或者包裹在其他結(jié)構(gòu)上的超薄低耗能顯示器。
傳統(tǒng)的液晶顯示器需要用到熒光燈或者傳統(tǒng)的發(fā)光二極管(LED)提供背景光源，而OLED則不需要背光照明。一個(gè)更大的科技突破是基于OLED的激光二極管，科學(xué)家們一直夢(mèng)想制造有機(jī)激光器，但卻被有機(jī)材料的一些特性所限制而尚未實(shí)現(xiàn)，比如有機(jī)材料通常不能有效地在產(chǎn)生激光所需的高電流條件下工作。
近日，來(lái)自美國(guó)加州和日本的研究團(tuán)隊(duì)的最新研究表明采用精細(xì)模式結(jié)構(gòu)的OLED可制出明亮，低耗能的光源，這一發(fā)現(xiàn)使科學(xué)家們向有機(jī)激光器邁出了關(guān)鍵的一步，該研究成果本周被作為封面亮點(diǎn)發(fā)表在由美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)出版的《應(yīng)用物理快報(bào)》上。
研究人員表明，這項(xiàng)成果的關(guān)鍵之處在于將電荷傳輸和重組限制在納米量級(jí)區(qū)域，從而使電致發(fā)光效率滾降延伸到OLED效率急劇降低的電流密度之外--大約近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。新的器件結(jié)構(gòu)通過(guò)抑制發(fā)熱和防止電荷重組來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
“抑制滾降的重要作用是提高器件在高亮度時(shí)的效率，”該文章的作者之一，日本九州大學(xué)(Kyushu University)的Chihaya Adachi說(shuō)。“其結(jié)果是讓器件在低耗能的狀態(tài)下獲得同樣高的亮度。”
“多年來(lái)，致力于有機(jī)半導(dǎo)體的科學(xué)家們一直夢(mèng)想著能夠制造出電動(dòng)有機(jī)激光器，”文章另一位作者，美國(guó)加州大學(xué)圣芭芭拉分校的Thuc-QuyenNguyen說(shuō)。“激光在極端條件下工作，其電流顯著地高于普通顯示器和照明設(shè)備中的電流。在高電流的條件下，能耗過(guò)程更加顯著，導(dǎo)致發(fā)射激光變得困難。”
“我們認(rèn)為這項(xiàng)降低能耗過(guò)程的研究，向?qū)崿F(xiàn)有機(jī)激光器邁進(jìn)了一步。”Nguyen補(bǔ)充說(shuō)。
OLED是如何工作的
OLED的工作原理是基于通過(guò)電子和空穴的相互作用。“舉個(gè)形象的例子，”Adachi說(shuō)，“你可以把有機(jī)半導(dǎo)體想象成一列坐滿了乘客的地鐵。其中座位代表分子，而乘客代表高能粒子，也就是電子。當(dāng)人們從地鐵的一端上車(chē)時(shí)，他們攜有附加的能量，并想要找個(gè)位置坐下來(lái)放松。與此同時(shí)，另一些乘客起身離座從地鐵的另一端下車(chē)，空出了一些位置或者叫做“空穴”可由站著的乘客填補(bǔ)。當(dāng)站著的乘客坐下來(lái)放松時(shí)，他們會(huì)釋放原本攜帶的能量。對(duì)于OLED來(lái)說(shuō)，也就是釋放出了光能。”
制造基于OLED的激光器需要高達(dá)每平方厘米幾千安培(kA/cm2)的電流密度，但直到今天，電流密度依然被熱作用所限制。“在高電流密度的條件下，亮度受制于湮滅過(guò)程，”Adachi說(shuō)。“你可以想象一下，這就好比地鐵上的乘客大量地彼此碰撞而失去能量，而不是坐下來(lái)釋放光能。”
在之前的工作中，Adachi和他的合作者展示了OLED在電流密度超過(guò)每平方厘米一安培(1kA/cm2)時(shí)的性能，但沒(méi)達(dá)到激光和明亮照明所需的效率。在這次的文章中，他們表明效率問(wèn)題可以通過(guò)用電子束光刻制作出精細(xì)模式的OLED結(jié)構(gòu)來(lái)解決。微小的器件面積可支持2.8kA/cm2的電荷注入密度，同時(shí)維持比以前高100倍的發(fā)光效率。“在我們的器件結(jié)構(gòu)中，我們有效地將出入口限制在地鐵的中部。這樣，乘客可以向不太擁擠的地鐵兩端擴(kuò)散，由此減少了彼此的碰撞和湮滅。”
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