前沿进展 | 面向显示应用的偏振发光OLED新方案
目前实现OLED偏振发光的方案都存在各自的局限性，如引入外部微纳光学结构调控偏振发光将不可避免的导致器件工艺制备的复杂化；采用机械处理方法使发光分子取向排列，虽然可以实现偏振发光，但极易造成有源层破坏，并且能够取向排列的分子材料一般难以兼具高发光效率。
有机单晶材料由于其规则的分子排布，具有天然的各向异性和偏振发光特性。同时，得益于有机单晶材料高的荧光量子产率和高的载流子迁移率，通过材料和器件的优化设计有望突破技术瓶颈，为实现高效率高偏振度的单晶OLED器件带来了新的机遇。然而，目前单晶OLED的偏振发光效率和偏振度等各项指标仍远远不能满足实际应用需求，并且发光效率和偏振度与单晶内分子排布之间的关系也亟待深入研究。
近期，吉林大学冯晶教授和清华大学孙洪波教授课题组合作，将有机单晶材料和光学微腔结构相结合，获得了发光偏振比高达176的有机单晶OLED器件，是迄今为止基于本征偏振发光材料的偏振OLED最好结果。具有高度有序分子排列的有机单晶材料2,5-bis(4-cyanobiphenylyl-4-yl) thiophene（BP1T-CN），具有显著的各向异性和偏振特性，但光致发光的偏振比只能达到8，远低于实用需求的30~40。该研究团队提出将BP1T-CN单晶应用于偏振发光OLED器件，设计顶发射OLED微腔结构，实现光学微腔与偏振光的共振耦合，将发光偏振比从8提高到电致发光的176，获得了两个数量级的提升。同时，BP1T-CN单晶的分子跃迁偶极与晶面成22度小角度倾斜排布，能够大幅减少光子在电极界面的表面等离子共振损耗，器件最大亮度、电流效率和外量子效率分别达到 6122 cd m-2、1.86 cd A-1和1.44%，是目前非掺杂单晶OLED的最高亮度和效率。这项工作为实现高效率高偏振度的OLED器件提供了一种新的方案，对于推动有机单晶半导体材料的光电器件应用具有重要意义。
图1 （a）BP1T-CN单晶薄膜荧光显微镜照片和分子结构式。BP1T-CN单晶沿 (b) bc 和 (c) ab晶面的分子堆积情况。(d) BP1T-CN单晶在TM和TE偏振模式下的偏振光致发光（PL）光谱和的偏振荧光照片。(e)BP1T-CN单晶在497 nm波长处的偏振角度分辨的PL光谱强度。(f) BP1T-CN单晶及其单晶OLED的偏振光谱测量装置示意图
图2 BP1T-CN单晶OLED器件的偏振电致发光（EL）特性。(a) 顶发射单晶OLED的微腔结构示意图。(b) BP1T-CN单晶OLED 在TM和TE偏振模式下的偏振EL光谱和偏振电致发光照片。(c) BP1T-CN单晶OLED 的偏振EL极坐标图。(d) BP1T-CN单晶OLED 在493 nm波长处的偏振角度分辨的EL强度
图3 BP1T-CN单晶OLED 器件 (a) 在TM和TE偏振模式下实际测量的EL光谱（实线）和模拟计算的功率耗散谱（虚线），和 (b) 在TM 偏振模式下模拟计算的电场强度分布图。(c) BP1T-CN单晶OLED器件的亮度-电流效率-电流密度曲线。(d) 利用偶极子模型计算的BP1T-CN单晶OLED的光取出效率与分子取向角度的关系
这一成果近期发表在Optica上，文章的第一作者是吉林大学安明慧博士研究生、丁然博士和张旭霖博士。该研究工作得到了国家杰出青年科学基金（61825402）和国家重点研发计划（2020YFA0715000）的支持。
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