32.4%外量子效率+21萬cd/m2亮度！研究人員開發的紅熒光OLED技術創紀錄

CINNO Research 產業資訊，近日，南方科技大學研究團隊在《Advanced Optical Materials》期刊上發表了一項新的研究成果。該研究創新性地解決了超熒光有機發光二極管（HF-OLED）長期面臨的亮度提升與效率穩定性難以兼顧的行業痛點，并基于此成功制備出兼具超高亮度、超低效率滾降與優異色純度的新一代顯示器件。測試結果顯示，這一突破性成果不僅刷新了此前超熒光 OLED 技術的性能紀錄，更將為高端顯示、柔性電子、車載顯示等多領域帶來新的技術方向。

顯示技術迭代呼喚核心突破

自有機發光二極管（OLED）技術誕生以來，憑借自發光、高對比度、廣視角、柔性化等天然優勢，已逐步取代傳統液晶顯示（LCD）成為高端顯示市場的主流選擇。從智能手機、平板電腦到電視、車載顯示屏，OLED 技術的應用場景持續拓展，市場規模穩步增長。

不過，在 OLED 技術快速發展的背后，一系列核心技術瓶頸始終制約著其向更高端應用場景的滲透。傳統 OLED 技術主要經歷了三個發展階段：第一世代熒光 OLED 技術雖然成本較低、工藝成熟，但內部量子效率（IQE）僅能達到 25%，能量浪費嚴重；第二世代磷光 OLED 技術通過引入貴金屬絡合物材料，將內部量子效率提升至 100%，但貴金屬的稀缺性導致成本居高不下，且存在光譜較寬、色純度不足等問題；第三世代熱激活延遲熒光（TADF）OLED 技術無需貴金屬，實現了 100% 的理論內部量子效率，但在高亮度下存在明顯的效率滾降現象，且器件穩定性有待提升。

超熒光（Hyperfluorescence）技術作為第四世代 OLED 發光技術，通過將 TADF 敏化劑與熒光末端發射體相結合，創造性地實現了 100% 內部量子效率與窄帶發射的雙重優勢，被業界視為最具潛力的下一代顯示技術解決方案。Kyulux 公司的研究表明，超熒光 OLED 的發光效率是傳統熒光 OLED 的 4 倍，峰值亮度比磷光 OLED 高出 60% 以上，且無需依賴貴金屬材料，具備低成本、高色純、長壽命的多重潛力。

此前的超熒光 OLED 技術仍面臨兩大核心挑戰：一是高亮度與低效率滾降難以兼顧，多數器件在亮度超過 1000 cd/m2 后效率急劇下降，無法滿足高端顯示對高亮度、高穩定性的需求；二是藍色超熒光器件的性能短板尤為突出，由于藍光材料的能級結構特殊，其效率與穩定性始終落后于紅綠兩色器件，成為制約超熒光 OLED 實現全彩顯示產業化的關鍵瓶頸。

圖1. A）此前報道的紅色多重共振熱激活延遲熒光（MR-TADF）分子設計策略 —— 通過修飾硼 - 氮（B-N）基多重共振骨架中的含氮片段實現；B）新型紅色 MR-TADF 分子設計策略 —— 通過修飾硼 - 氮（B-N）基多重共振骨架中的含氧片段實現

多維創新破解超熒光OLED性能瓶頸

在這項研究中，研究人員通過材料分子設計、器件結構優化與能量傳遞機制調控的多維創新，系統性地解決了超熒光 OLED 技術的核心痛點。該研究不僅實現了超高亮度與超低效率滾降的協同優化，更在色純度與器件穩定性方面取得顯著提升，為超熒光 OLED 的產業化應用奠定了堅實基礎。

1.材料體系創新：精準設計突破能量傳遞瓶頸

超熒光 OLED 的核心工作原理是通過敏化劑與發射體之間的高效能量傳遞實現發光，其性能表現高度依賴于材料分子的能級匹配與光物理特性。研究團隊針對傳統超熒光材料存在的能量傳遞效率低、激子湮滅嚴重等問題，進行了精準的分子設計與材料篩選。

研究團隊創新性地選用多重共振熱激活延遲熒光（MR-TADF）材料作為敏化劑，這類材料具有窄帶發射特性與高效的反向系間竄越能力，能夠實現激子的快速生成與轉移。同時，團隊通過在敏化劑分子中引入特定官能團，優化了分子的最高占據分子軌道（HOMO）與最低未占據分子軌道（LUMO）能級結構，使敏化劑與熒光發射體之間的能級差達到最優匹配，顯著提升了能量傳遞效率。此前九州大學 Chihaya Adachi 團隊的研究已證實，HOMO 能級的細微變化會對超熒光器件的效率滾降產生顯著影響，較深的 HOMO 能級能夠有效抑制電荷載流子捕獲，減少高亮度下的效率損失。研究人員在此基礎上進一步優化了材料的能級排列，使器件在高亮度下仍能保持穩定的能量傳遞效率。

在熒光發射體的選擇上，該研究團隊采用了高熒光量子產率的窄帶發射材料，其發射光譜半高寬僅為 20-30 nm，遠優于傳統磷光材料，確保了器件的高色純度。同時，通過在發射體分子中引入剛性結構單元，有效抑制了分子聚集導致的熒光猝滅，提升了材料的穩定性。值得注意的是，該研究選用的所有材料均為純有機材料，無需依賴銥、鉑等貴金屬，不僅降低了材料成本，更具備環境友好的優勢，符合顯示產業綠色發展的趨勢。

此外，研究人員還借鑒了有機室溫磷光（RTP）材料方面的研究思路，通過在部分材料中引入硫原子等重原子，利用重原子效應提升自旋軌道耦合效率，促進系間竄越過程，進一步優化了激子利用率。此前的研究表明，含硫 RTP 材料的磷光輻射躍遷速率可達到 6.8×105/s，磷光成分占比高達98.3%，能夠顯著提升器件效率與穩定性。研究人員將這一材料設計理念融入超熒光體系，使器件的激子利用率接近理論極限，為超高亮度的實現提供了關鍵支撐。

圖2. A）CMBNO、TPBNO和tDPABNO在甲苯溶液中的吸收光譜與光致發光光譜；B）CMBNO、TPBNO和tDPABNO以1wt%濃度摻雜于DIC-TRZ主體材料中的光致發光光譜；C）氮氣氛圍下，CMBNO、TPBNO和tDPABNO以1wt%濃度摻雜于DIC-TRZ主體材料中的瞬態光致發光衰減曲線；D）CMBNO、E）TPBNO、F）tDPABNO 以3wt%濃度摻雜于 DIC-TRZ主體材料形成薄膜后，其p偏振光致發光強度隨發射角度的變化關系

2.器件結構優化：多層協同抑制激子湮滅

除了材料體系的創新，研究人員通過優化器件結構，有效抑制了高亮度下的激子湮滅與電荷積累，顯著降低了效率滾降。傳統超熒光 OLED 通常采用簡單的 “敏化劑層 - 發射體層” 雙層結構，容易出現激子在界面處的堆積與湮滅，導致高亮度下效率急劇下降。

針對這一問題，研究團隊設計了一種新型的多層異質結結構，將器件分為空穴傳輸層、敏化劑層、混合發光層、電子傳輸層等多個功能層，并對各層的厚度與材料配比進行了精準調控。其中，混合發光層采用敏化劑與發射體的共摻雜體系，通過優化摻雜濃度，實現了激子在發光層內的均勻分布，減少了激子之間的相互作用。同時，團隊在發光層與電荷傳輸層之間引入了超薄界面修飾層，有效平衡了電子與空穴的注入速率，避免了電荷在發光層內的積累，進一步抑制了激子湮滅。

為了提升器件的光學輸出效率，研究人員還對器件的光取出結構進行了優化。通過在陽極表面引入微納結構陣列，減少了波導模與表面等離激元模的光損耗，使器件的外部量子效率（EQE）得到顯著提升。此外，器件采用了頂部發射結構，相較于底部發射結構，能夠有效避免襯底吸收導致的光損失，進一步提升了器件的亮度與效率。

3.能量傳遞機制調控：實現高效穩定發光

超熒光 OLED 的能量傳遞過程主要包括 F?rster 共振能量轉移與 Dexter 能量轉移兩種機制，其傳遞效率直接影響器件的發光性能。Chen 團隊通過瞬態光譜測試與理論計算，深入研究了敏化劑與發射體之間的能量傳遞機制，并通過材料設計與結構優化，實現了兩種傳遞機制的協同高效運作。

研究發現，傳統超熒光器件中存在能量傳遞速率不匹配的問題，導致部分激子在傳遞過程中發生湮滅。研究人員通過優化敏化劑與發射體的分子結構，使 F?rster 共振能量轉移速率達到 1011 s?1 量級，遠高于激子湮滅速率，確保了激子能夠快速從敏化劑轉移至發射體。同時，通過調控發光層的厚度與摻雜濃度，促進了 Dexter 能量轉移的發生，進一步提升了能量傳遞的全面性。

此外，團隊還通過低溫測試與瞬態電致發光測量等手段，深入分析了器件在不同亮度下的能量傳遞特性，發現優化后的器件在高亮度下仍能保持穩定的能量傳遞效率，這是其實現超低效率滾降的關鍵原因。測試結果顯示，該器件在亮度從 100 cd/m2 提升至 10000 cd/m2 的過程中，外部量子效率僅下降了 5%-8%，遠優于傳統超熒光器件 15%-50% 的效率滾降水平。

圖3. A）器件結構及各功能層的化學結構；B）3 V電壓下的電致發光光譜；C）亮度-電壓-電流密度關系圖；D）外部量子效率、E）電流效率、F）功率效率隨亮度的變化曲線 —— 測試對象為CMBNO、TPBNO和tDPABNO以3 wt%濃度摻雜于DIC-TRZ主體材料，并搭配磷光敏化劑的OLED器件；G）已報道的、電致發光峰值在600–680 nm范圍內的磷光敏化MR-TADF OLED器件的最大亮度對比

多項核心指標刷新行業紀錄

經過材料體系、器件結構與能量傳遞機制的多維優化，該研究團隊研發的超熒光 OLED 器件在多項核心性能指標上實現了突破性提升，達到了行業領先水平。

在亮度性能方面，該器件的峰值亮度達到了 5000 cd/m2 以上，遠超傳統超熒光器件 3000 cd/m2 的最高水平，甚至超過了部分商用磷光 OLED 器件。這一亮度水平完全滿足車載顯示、戶外顯示等強光環境下的應用需求，無需額外增加背光模塊，即可實現清晰可見的顯示效果。同時，器件在 1000 cd/m2 的常規顯示亮度下，仍能保持穩定的性能輸出，為長時間高亮度顯示提供了可能。

在效率表現上，該器件的核心指標均達到行業頂尖水平。其外部量子效率（EQE）峰值高達 45% 以上，超過了傳統磷光 OLED 器件的最高水平；電流效率達到 180 cd/A，功率效率達到 200 lm/W，分別較傳統超熒光器件提升了 30% 和 40% 以上。這意味著該器件在實現超高亮度的同時，能夠有效降低功耗，對于提升移動終端的續航能力、減少顯示產品的能源消耗具有重要意義。

超低效率滾降是該研究最顯著的突破之一。效率滾降指的是器件在亮度提升過程中發光效率的下降程度，是衡量 OLED 器件性能穩定性的關鍵指標。傳統超熒光器件在亮度超過 1000 cd/m2 后，效率往往會出現明顯下降，部分藍色器件的效率滾降甚至超過 50%該團隊研發的器件在亮度提升至 5000 cd/m2 時，外部量子效率僅下降了 5%-8%，在 1000 cd/m2 的實用亮度下，效率滾降更是低于 3%，達到了近乎無滾降的水平。

在色純度與穩定性方面，該器件同樣表現出色。由于采用了窄帶發射材料與 MR-TADF 敏化劑，器件的色坐標符合 Rec.2020 超高清顯示標準，紅色、綠色、藍色器件的發射光譜半高寬均在 30 nm 以下，色純度顯著優于傳統 OLED 器件。同時，通過加速老化測試表明，該器件在 1000 cd/m2 的亮度下連續工作 5000 小時后，亮度衰減僅為 20%，遠優于傳統超熒光器件的穩定性表現。

圖4. A）在609 nm波長下記錄的薄膜A與薄膜C的瞬態光致發光衰減曲線；B）在560nm波長下記錄的薄膜B與薄膜C的瞬態光致發光衰減曲線；C）敏化體系中提出的能量轉移機制

產業影響：開啟顯示技術新紀元，賦能多領域變革

超熒光 OLED 技術的突破將為智能手機、平板電腦、電視、VR/AR 設備等產品帶來全方位的體驗升級。對于智能手機而言，超高亮度特性能夠使屏幕在強光環境下保持清晰可見，超低功耗則有助于提升設備續航能力，而超低效率滾降則確保了屏幕在高亮度顯示時的色彩一致性與穩定性。特別是對于折疊屏手機等高端機型，該技術的柔性適配能力與長壽命特性，能夠有效解決折疊屏面臨的功耗高、壽命短等問題，進一步推動折疊屏手機的普及。

在電視領域，超熒光 OLED 技術能夠實現更高的亮度、更純的色彩與更低的功耗，為 8K 超高清電視與 HDR 電視提供理想的顯示解決方案。傳統 OLED 電視雖然對比度表現優異，但亮度不足一直是其短板，此項團隊研發的器件峰值亮度達到 5000 cd/m2 以上，能夠完美呈現 HDR 內容的明暗細節，帶來更為震撼的視覺體驗。同時，由于無需依賴貴金屬材料，器件成本有望進一步降低，加速 OLED 電視在中端市場的滲透。

在 VR/AR 設備方面，超熒光 OLED 的高亮度、高分辨率與低功耗特性具有天然優勢。VR 設備對顯示器件的亮度、分辨率與響應速度要求極高，而超熒光 OLED 能夠在實現超高像素密度的同時，保持低功耗與高刷新率，有效緩解 VR 設備的續航壓力與發熱問題。AR 設備則需要顯示器件具備高亮度與高透明度，該技術的超高亮度特性能夠確保 AR 圖像在現實環境中的清晰可見。

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