首爾國立大學開發出高亮度長壽命的深藍色OLED器件

CINNO Research產業資訊，近日，《Advanced Optical Materials》期刊上刊發了一項重要的OLED研究成果：由首爾國立大學與三星先進技術研究院聯合組建的科研團隊，成功研發出一款兼具超高穩定性與極致色純的深藍光磷光敏化熒光有機發光二極管（PSF OLED）。測試結果顯示，該OLED器件在 1000 cd/m2 標準亮度下，亮度衰減至初始值 90% 的時間（T90）達到 141 小時，CIE色坐標 y 值低至 0.14，超過同類未優化器件，打破了長期以來深藍光OLED “效率與穩定性不可兼得” 的技術魔咒。另一方面，這一研究首次通過低溫光譜與多通道激子動力學模型，定量揭示了 PSF OLED 降解的核心機制，建立了分子與器件層面的系統性設計規則，為未來智能手機等高端電子設備的顯示技術升級提供了參考解決方案。

深藍光—— OLED 技術的 “阿喀琉斯之踵”

OLED自誕生以來，憑借自發光、高對比度、柔性可彎曲、低功耗等優勢，迅速在高端顯示領域確立統治地位。從三星 Galaxy 系列的動態 AMOLED 屏幕到 LG 的 8K OLED 電視，從蘋果 Watch 的柔性表盤到華為 Mate X 的折疊屏，OLED 技術已深度融入消費電子的核心場景。然而，深藍光 OLED 始終是行業公認的 “技術硬骨頭”，其核心矛盾在于 “效率與穩定性的失衡”。現有技術路徑存在無法調和的短板，存在著如下三大困境：

磷光OLED 與熱激活延遲熒光OLED：雖能實現 100% 的內量子效率（IQE），但依賴高能量的三線態激子—— 這些高能粒子會持續沖擊有機分子的化學鍵，導致器件在工作數小時內就出現明顯降解，使用壽命通常不足 50 小時，難以滿足消費電子 “數千小時使用” 的基本需求。

傳統熒光 OLED：穩定性相對較好，但受限于自旋統計規律，內量子效率僅為 25% 左右，實際外量子效率（EQE）不足 40%，需要更高驅動電流才能達到目標亮度，反而加劇了功耗與發熱，進一步限制了應用場景。

早期 PSF OLED 技術：為破解上述困境，科研界提出磷光敏化熒光（PSF）機制 —— 通過磷光敏化劑將長壽命三線態激子轉化為短壽命發光單線態激子，理論上可兼顧 100% IQE 與高穩定性。但 PSF 架構的復雜性帶來了新的難題：磷光敏化劑與多共振（MR）TADF 發射器在共主體基質中形成交織的激子過程，使得器件降解的根源始終無法精準定位，導致技術優化陷入 “盲目試錯” 的困境。

“深藍光 PSF OLED 的穩定性調控，是 OLED 技術從消費電子向汽車、VR 等更嚴苛場景延伸的最后一道門檻，” 研究團隊表示，“在此之前，全球科研界都知道三線態積累是降解的關鍵，但沒有人能說清哪些激子過程主導了這一現象，也缺乏可量化的設計準則，導致器件性能提升始終停留在‘修修補補’的層面。”

圖1. a) 三種多共振熱激活延遲熒光發射器的化學結構：CzPh-DABNA、CzBiPh-DABNA 和 4tBu-DABNA；b) 穩態光致發光光譜；c) 這些發射器摻雜在共主體基質中、于293 K 下測得的瞬態光致發光衰減曲線

兩大設計原則，解鎖穩定性難題

針對 PSF OLED 的技術瓶頸，聯合團隊創新性地將低溫光致發光光譜與多通道激子動力學模型相結合，首次定量分離并驗證了影響器件穩定性的核心機制，提出了兩大可直接落地的設計原則。

（一）設計原則1：活化能 —— 三線態誘導降解的 “控制閥”

研究團隊發現，MR TADF 發射器的反向系間竄越活化能是決定器件壽命的核心因素。反向系間竄越是指三線態激子通過熱激活轉化為單線態激子的過程，其活化能的高低直接決定了三線態激子的能量狀態與積累效率。

1. 實驗設計與關鍵數據

團隊精心挑選了三種結構相似但電子特性存在細微差異的深藍光 MR 發射器 ——CzPh-DABNA、CzBiPh-DABNA 和 4tBu-DABNA，在保持磷光敏化劑（PtON-TBBI）、共主體基質（SiCzCz/SiTrzCz2=60:40）及器件結構完全一致的前提下，系統對比了它們的性能表現：

數據清晰顯示，活化能高于 0.10 eV 的兩種發射器（CzPh-DABNA 和 CzBiPh-DABNA）對應的器件，T90 壽命均超過 100 小時，其中 CzBiPh-DABNA 基器件更是達到 141 小時；而活化能僅為 0.07 eV 的 4tBu-DABNA 基器件，壽命僅為 35 小時，差距高達 4 倍。值得注意的是，三者的室溫光致發光量子產率和最大外量子效率相差無幾，說明活化能的提升并未犧牲器件的發光效率，真正實現了 “效率與穩定性雙贏”。

2. 背后的原理機制

“高活化能的核心作用，是降低了中間三線態的能量水平，”研究人員解釋道。傳統觀點認為，RISC過程是直接從最低三線態到最低單線態的轉化，但團隊通過動力學建模發現，MR發射器的RISC實際是通過中間三線態的分步熱激活實現的。

高活化能意味著中間三線態的能量更低，這會帶來兩個關鍵影響：一是減少三線態 - 三線態湮滅（TTA）、三線態 - 極化子湮滅（TPA）等過程產生的高能激發態；二是降低高能激發態對MR發射器化學鍵的沖擊，從而抑制分子解離 —— 這正是 PSF OLED 降解的主要路徑。

實驗數據顯示，高活化能發射器的鍵解離概率僅為低活化能發射器的一半左右，直接證明了活化能對降解過程的抑制作用。

圖2. 293 K和135 K下PSF體系的激子動力學過程

（二）設計原則2：FRET與DET的競爭 —— 三線態積累的 “調節器”

在PSF架構中，磷光敏化劑的三線態激子可通過兩種路徑轉移至MR發射器：福斯特共振能量轉移（FRET）和德克斯特能量轉移（DET）。這兩種路徑的競爭關系，是影響三線態積累的關鍵因素。

1. 兩種路徑的核心差異

FRET路徑：直接將磷光敏化劑的三線態激子轉化為MR發射器的單線態激子，轉化效率高且無三線態積累，是 “理想路徑”；

DET路徑：將磷光敏化劑的三線態激子轉化為MR發射器的三線態激子，這些三線態激子需通過RISC轉化為單線態才能發光，過程中易導致三線態積累，進而引發降解。

由于兩種路徑的熒光信號在室溫下存在時間尺度重疊，傳統測試方法無法區分其貢獻。團隊創新性地利用低溫環境抑制RISC過程，使得DET路徑無法產生發光，從而首次實現了對 FRET路徑的獨立表征。

2. 實驗驗證與壽命差異

團隊通過對比PSF EML（含磷光敏化劑和MR發射器）與TADF EML（僅含MR發射器）的低溫光致發光強度變化，量化了FRET與DET的貢獻比例：

CzBiPh-DABNA基PSF器件：PSF EML與TADF EML的低溫PL強度衰減趨勢基本一致，表明FRET路徑占主導（DET貢獻極小），其T90壽命達到141小時；

CzPh-DABNA基PSF器件：PSF EML的低溫PL強度衰減幅度遠大于TADF EML，表明DET路徑占主導，其T90壽命為108小時，較FRET主導器件低23%。

這一結果證實，當FRET路徑占優時，MR發射器中的三線態積累被顯著抑制，器件穩定性大幅提升。數據顯示，FRET 主導的器件較DET主導的器件，壽命提升約30%，進一步驗證了能量轉移路徑的調控價值。

3. 關鍵結論：活化能的影響權重更大

值得關注的是，團隊發現活化能對壽命的影響權重遠超FRET/DET競爭關系。例如，4tBu-DABNA基器件的FRET貢獻比例甚至高于CzPh-DABNA基器件，但由于其活化能極低，壽命仍僅為35小時。這表明，PSF OLED的降解主要由MR發射器的三線態能量水平（由活化能決定）調控，而FRET/DET競爭關系是重要的輔助優化因素。

“這一發現為技術優化提供了明確優先級：首先通過分子設計提升MR發射器的活化能，再通過器件結構優化強化FRET路徑，就能實現穩定性的最大化提升，”研究人員總結道。

圖3. a) 左圖：MR-TADF發光層薄膜在135 K和293K下的光致發光量子產率比值；b) 活化能關系曲線及其與鍵解離概率的關系曲線；c) 高活化能與低活化能MR-TADF發射器的熱激子能級對比圖

技術支撐：創新方法解鎖激子“黑箱”

該研究的突破，不僅在于揭示了核心機制，更在于開發了一套可復制、可推廣的實驗與建模方法，成功解鎖了PSF OLED中復雜激子過程的 “黑箱”。

（一）低溫光致發光光譜技術：分離激子路徑的 “顯微鏡”

團隊搭建了高精度低溫光致發光測試平臺，通過液氮制冷將樣品溫度精準控制在135K。在這一溫度下，RISC過程被完全抑制，DET路徑無法產生發光，此時的光致發光信號僅來自FRET路徑，從而實現了對兩種能量轉移路徑的獨立表征。

測試平臺采用連續波激光作為穩態光致發光激發源，脈沖Nd:YAG激光作為瞬態光致發光激發源，結合光電倍增管和數字延遲發生器，實現了高達107的信號信噪比—— 這一指標較傳統測試平臺提升了三個數量級，能夠精準捕捉到微弱的延遲熒光信號，為激子過程的定量分析提供了基礎。

（二）多通道激子動力學模型：量化激子過程的 “計算器”

為了從實驗數據中提取關鍵參數，團隊開發了兩套相互印證的動力學模型：

PSF_PL模型：用于解析光致發光過程中的激子轉移與衰減，通過耦合速率方程，量化了FRET速率、DET速率、RISC速率等核心參數；

PSF_OLED模型：用于模擬器件工作時的激子 - 電荷相互作用與降解機制，全面考慮了電荷俘獲、缺陷生成、激子湮滅等過程，成功復現了器件的亮度衰減曲線和電壓上升趨勢。

通過這兩套模型，團隊首次實現了對PSF OLED降解過程的定量預測，為分子設計與器件優化提供了 “數字孿生” 工具。例如，通過模型可直接計算不同活化能對應的器件壽命，無需進行大量實驗試錯，大幅縮短了研發周期。

圖 4. a) 變溫條件下穩態光致發光與瞬態光致發光測量的實驗裝置；b) 利用兩片線性偏振片和門控光電倍增管實現高信噪比瞬態光致發光的多脈沖數據拼接方法；c) 于293 K和135 K下測得的高信噪比瞬態光致發光曲線

（三）系統性對比實驗：驗證結論可靠性的 “對照組”

為了排除非激子因素（如電荷傳輸、界面特性）的干擾，團隊設計了三類對照器件：PSF OLED：雙摻雜體系（磷光敏化劑+ MR發射器）；磷光OLED：僅含PtON-TBBI磷光敏化劑；TADF OLED：僅含MR發射器。

實驗結果顯示，PSF OLED與磷光OLED的電流-電壓特性基本一致，而TADF OLED的電阻率顯著更高。這表明在PSF架構中，MR發射器幾乎不參與電荷傳輸，激子形成完全依賴能量轉移 —— 這一結果驗證了實驗設計的合理性，確保了結論的可靠性。

樣品制備和性能測試：效率、色純與穩定性提升

在兩大設計原則的指導下，聯合團隊開發的深藍光PSF OLED展現出全面的性能優勢，多項指標達到行業頂尖水平。

（一）底發射結構：穩定性與效率的完美平衡

底發射器件采用 “ITO/HAT-CN/BCFN/SiCzCz/EML/mSiTrz/mSiTrz:Liq/LiF/Al” 的層疊結構，核心性能測試結果如下：

穩定性：T90=141小時（1000 cd/m2），較未優化器件提升4倍，是目前已報道的深藍光PSF OLED中最長壽命；

發光效率：最大EQE=21.4%，接近理論上限（23%），較傳統熒光OLED提升1倍以上；

色純：CIE xy坐標 =(0.14, 0.14)，y值≤0.15，滿足深藍光的嚴格定義，半高寬（FWHM）≤20 nm，色彩還原度極高；

功耗：工作電壓僅為4.3 V（1000 cd/m2），較同類器件低15%，能效優勢顯著。

圖 5. a)磷光敏化熒光有機發光二極管的器件結構及所用材料的化學結構；b) 電流密度-電壓特性曲線；c) 瞬態電致發光曲線；d) 外量子效率-電流密度特性曲線；e) 1000 cd/m2 亮度下的電致發光光譜；f) DCzPh、DCzBiPh和D4tBu三種器件在1000 cd/m2初始亮度、恒流驅動條件下的亮度隨時間衰減曲線

（二）頂發射結構：極致色純適配高端場景

為了滿足VR/AR、車載顯示等特殊場景的需求，團隊還開發了頂發射結構器件，核心性能測試結果如下：

色純：CIE y=0.058，接近BT.2020超高清顯示標準，半高寬僅為17 nm，是目前色純度最高的深藍光OLED之一；

穩定性：T90=94小時（1000 cd/m2），在頂發射架構中處于領先水平；

兼容性：采用透明陽極設計，可適配柔性、透明顯示等新興形態，拓展性極強。

“頂發射結構的突破，意味著我們的技術不僅能用于傳統平板顯示，還能滿足下一代智能設備的多元化需求，”研究人員表示，“例如，在VR設備中，極致色純能提升沉浸感，長壽命能減少設備維護成本，低功耗則能延長續航時間。”

點擊圖片可聯系我們了解報告詳情

馬女士 Ms. Ceres

TEL：（+86）137-7604-9049

Email：CeresMa@cinno.com.cn

CINNO