有机发光器件（organic light-emitting device）具有良好的色彩饱和度、大的可视角度以及低功耗等特点。然而，器件在效率和稳定性方面仍然有所欠缺。尽管能够通过添加磷光材料实现内部电荷-光（charge-to-light）的一致转换，其折射率对比度（refractive index contrast）仍然将设备外可观测的光子部分降低到了大约25%。此外，在OLED工作过程中，缓慢衰减的三线态激子和电荷的局部累积会逐渐降低设备的亮度（即老化），从而导致所谓的烧屏（burn-in effect）问题。同时提高器件的效率和稳定性是OLED技术上的一大难题。
表面等离子体广泛存在于金属与周围电介质的界面处。这些电子沿着金属表面的集体震荡会导致极大的电场以及在可见和红外光区域衰变率的一个量级上的提高。然而，这种耦合通常被认为是会降低OLED器件性能的。
无线风光在险峰！美国环宇显示技术股份有限公司（Universal display corporation）的研究人员Nicholas J. Thompson等人反其道而行之，利用了等离子体系统的衰变率提升效应，采用基于纳米粒子外耦合的方案从等离子振荡模中提取能量，制备了高效且稳定的OLED器件。对比实验显示，在相同的发光强度下，改进后的器件的工作稳定性提升了两倍，理想情况下能达到4倍的提升。这种普适性的提高OLED器件稳定性的方法对目前采用OLED技术的照明、电视、手机显示屏都适用。
【器件结构设计】
通常情况下，由于淬灭的激子能量以热的形式耗散，OLED器件金属电极的非辐射表面等离子振荡模被认为是一种损耗。迄今为止大部分工作都致力于最小化这种损耗。而作者有意将OLED器件阴极的表面等离子振荡模与能量耦合，从而降低器件中激发态的瞬态与稳态激子密度。作者以采用磷光发射物质Ir(ppy)3的OLED器件作为样品（图1a），发光层与银（Ag）阴极距离不足20 nm，以实现与表面等离子振荡模的耦合，进而提高衰变速率常数（decay rate constant）。随后。在介电层上制备的银纳米立方体（图1b）能够与顶部发出的光进行外耦合（out-couple），作者将该器件称之为基于等离子纳米贴片天线（plasmon nanopatch antenna, plasmon NPA）的有机发光设备。
等离子器件结构与纳米立方体形貌
【发光寿命测试】
在电流为80 mA cm-2的加速的恒流老化测试中，这种NPA器件的工作稳定性比传统的结构相似的有机磷光发光设备（OLED incorporating organic phosphors, PHOLED）提升了约三倍（图2a）。图2的外部量子效率（external quantum efficiency）测试可以看出，传统PHOLED的外部量子效率在10 mA cm-2时为13%，这是建立在他们仅能单面发光的情况下（一侧为透明电极，一侧为不透明电极）。而NPA器件能够实现顶部和底部共同发光（底部为透明电极发光BE emission，顶部为表面等离子振荡模提供的能量被转换为光子发光TE emission）。在高电流密度条件下，NPA器件比传统器件的维持的更好，这可能是由于多粒子间的相互作用，包括三线态-三线态湮灭（triplet-triplet annihilation）、三线态-极子湮灭（triplet-polaron annihilation）等。此外，瞬态荧光测试（图2c）NPA器件的衰变时间更短，仅为267 ns（两个对比器件分别为404与521 ns），这可能导致了器件中三线态激子浓度的下降，从而表现出较低的外部量子效率。
等离子增强的寿命与效率
【光学特性模拟与测试】
作者还对具备银纳米立方体贴片天线的器件（图3a左）和不具备银纳米立方体的器件（图3a右）在525 nm处的电场强度进行了模拟，结果显示具备银纳米立方体贴片天线的器件在空气中的电场强度更高，证实了该结构在光增强中起着主导作用。NPA器件的总外部量子效率为13%（顶部发射+底部发射），与对比设备相似。图3b为NPA器件的外耦合光谱，由于与Ir(ppy)3的发射光谱有所偏移，导致了外耦合效率的降低。如果能够100%重叠且所有激子都能够参与耦合，预计将达到约20%的顶部发射外部量子效率。
最后，作者指出，在仅使用顶部发射光源的情况下，NPA器件能够连续142小时提供高达10 000 坎德拉每平方米（cd-2）的光强，约为对比器件（78小时）的两倍。如果能够将顶部与底部发射光都用于耦合，器件寿命将达到363小时。
测量与模拟的NPA器件光学性能
总结：作者展示了通过表面等离子耦合提高衰变率来增强OLED发光稳定性的方法。并在实验中观察到了近4倍的寿命增加。这种一直被认为是有害的方法为OLED的设计提供了新的思路，大大推动了低成本照明、高亮度显示以及蓝光有机磷光发光设备的发展。
全文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2684-z
来源：高分子科学前沿
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