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超高辐射近红外有机发光二极管！

近红外有机发光二极管具有广泛的应用前景，包括夜间监视以及生物医学诊断和成像系统。然而，由于高电流密度下效率的快速下降，获得许多应用所必需的高器件辐射亮度和保持高操作稳定性是一项挑战。

在此，华南理工大学彭俊彪教授、吴宏滨教授以及Yuan Xie开发了基于受体-供体-受体有机半导体的近红外有机发光二极管，其单线态-三线态湮灭率和三线态寿命大大降低，减轻了长寿命三线态对单线态猝灭的影响，从而能够在高电激发能级下实现超高的单线态密度。该器件表现出J50值为59.2Acm−2的电流密度，即外部量子效率下降到其峰值1.34%的一半时的电流密度。在5000 Acm−2以上的电流密度范围内，也能保持较高的外部量子效率。该器件在连续电偏压下发射的最大辐射亮度超过2000 Wsr−1m−2，在脉冲电操作下发射的最大辐射亮度为46700 Wsr−1m−2。初始辐射亮度为100 Wsr−1m−2时，半衰期为35小时。他们还在1000 Acm−2下实现了超过1016 cm−3的高电注入单线态密度，可以维持粒子数反转，这表明有机激光器的潜力。这些结果为近红外有机发光二极管的进一步发展铺平了道路，并为电驱动有机激光二极管提供了潜在的途径。相关研究成果以题为“Ultrahigh-radiance near-infrared organic light-emitting diodes”发表在最新一期《nature photonics》上。

【有机半导体实现超高亮度近红外发射】

作者将工作聚焦于BTA3，这是一种A-D-A结构的小分子（给-受-给），其纯膜在740 nm处呈现光致发光(PL)峰，量子效率为30.9%。图1a叠加了吸收与PL光谱，并插入了分子结构；密度泛函(DFT)计算得到的振子强度2.93（图1b）解释了跃迁几率之高。计算的单线态与三线态能级分别为ES1=1.84 eV、ET1=0.98 eV，表明ΔEST很小，有利于三线态的快速非辐射衰减，这正是低滚降策略的关键之一(图1c)。BTA3及其两种同系A-D-A发光体(i-IEICO-4Cl与Y11)的电致发光(EL)谱线在700–1000 nm间展开，BTA3峰位同为740nm(图1d)。电压-电流曲线(图1e)显示，像素的开启电压仅1.39V，低于1.79V的带隙电压，这得益于蓝宝石基底与Ba阴极带来的高效载流子注入与热管理。核心指标EQE滚降表现出色：EQE降至一半的电流密度J₅₀高达59.2 Acm⁻²(图1f)，比典型近红外荧光OLED高四个数量级，比TADF、磷光、钙钛矿或量子点器件也高一个数量级(图1g)。像素在连续偏压下可承受151 Acm⁻²，辐亮度达到2053 Wsr⁻¹m⁻²（辐射出射度644 mWcm⁻²）。脉冲驱动(1 µs,0.1%占空)时在5–10 kAcm⁻²下辐亮度提升至46786 Wsr⁻¹m⁻²(图1h)。器件半寿命为210 h@0.1Acm⁻²、35 h@1Acm⁻²，较同亮度钙钛矿NIR-LED长七倍(图1i)。

图1.用于超高亮度近红外发射的有机半导体

【光学/电学瞬态行为与EQE滚降模拟】

BTA3 纯膜的时间分辨 PL (TRPL) (图 2a) 定量给出了单线态-单线态湮灭(SSA)。当初始单线态密度 < 1015 cm⁻³ 时，衰减呈单指数，kS = 1.15 × 10⁹ s⁻¹；更高密度下拟合得 SSA 系数 kSS ≈ 2.0 × 10⁻⁶ cm³s⁻¹，比无定形有机物快五个数量级，源于结晶度高与较大的 Förster 半径 。高幅纳秒脉冲下的瞬态 EL 几乎无过冲(图 2b)，说明单-三线态湮灭(STA) 可忽略。77 K 下的磷光测定在 1240 nm 观测到三线态发射，确认 T₁≈1.0 eV(图 2c) 。 PtOEP 敏化溶液的飞秒瞬态吸收显示 950 nm 处三线态吸收与 600 nm 基态漂白，均以 τ ≈ 160 ns 与 140 ns 单指数衰减(图 2d-e) 。 EL-衰减独立拟合得 kT = 7.5 ± 2.5 × 10⁶ s⁻¹ (τT≈ 0.13 µs) 与 TTA 速率 kTT = 2.0 ± 1.7 × 10⁻10 cm³s⁻¹ 。图 2f 将实测 EQE 滚降与含 SSA、STA、TTA 的模拟对比。STA 因快速三线态衰减而可以忽略；TTA 在 0.01–10 A cm⁻² 范围内反而通过三-三上转换补充单线态，从而缓解效率损失；只有在 > 10 A cm⁻² 时 SSA 才成为主导 。

图2.光和电激发下的瞬态行为以及模拟的EQE滚降

【BTA3的ASE测量与单/三线态密度模拟】

放大自发辐射(ASE)实验检验BTA3的激光增益潜力。在10 wt% BTA3:CBP薄膜中，以230 fs、343 nm泵浦，阈值1.36 µJ cm⁻²时线宽由102 nm缩至12 nm(图3b-c)。该阈值比最佳红/近红外有机材料低4–20倍(图3d)。换用5ns、532 nm Nd:YAG泵浦(更接近电驱条件)时，阈值升至~20 µJ cm⁻²，对应约6.9 kA cm⁻²的电流密度(图3e)。图3f的速率方程模型显示，有实测动力学常数时，电注入单线态在~1 kA cm⁻²即可达1016cm⁻³，实现粒子数反转。若无TTA，需要>5 kAcm⁻²；若无SSA，则只需100 Acm⁻²。

图3.BTA3的ASE测量和模拟的单线态和三线态密度

【大面积近红外光源与应用展示】

作者利用溶液工艺旋涂制备了10 cm²(3.2×3.2 cm)的面光源OLED，在5 mA cm⁻²时辐亮度达2000 Wsr⁻¹m⁻²(图4a)。在0.15 A cm⁻²、2.8 V下，面板输出30 mW光功率，已是同面积InGaAs/GaAsµ-LED的三倍。实际演示包括：透射模式下观察人指血管(100 µm)(图4b)；活体非洲爪蟾胃、心脏与动脉成像(图4c)；补充视频中记录了乌龟心跳。制备于PET基底的器件在弯折后仍可工作(图4d)，可作为可穿戴补丁实时监测(图4e)。150 mA cm⁻²驱动下对会议室的夜视摄影示例了更广泛的监控用途(图4f)。

图4.基于BTA3的大面积NIR光源及其应用的演示

【总结】

本研究提出了超亮、稳定近红外荧光器件的设计准则：高振子强度A-D-A分子+ 固有快速三线态衰减+ 有利的TTA通道。这一“三位一体”抑制STA，将三线态回收为单线态，并将效率损失限定在极高激子密度下的SSA。定量而言，原型器件在10⁻⁴–10² Acm⁻²保持>1%EQE，J₅₀=59 Acm⁻²；连续辐亮度>2000 Wsr⁻¹m⁻²，寿命35 h@100Wsr⁻¹m⁻²；脉冲驱动辐亮度4.7×10⁴Wsr⁻¹m⁻²，预计电泵激光阈值~1kAcm⁻²，若消除SSA可降至100 Acm⁻²。大面积、柔性面板已在深组织成像、可穿戴与夜视场景展示潜力。未来工作应聚焦分子堆积调控或主-客体稀释策略以削弱偶极-偶极耦合、降低SSA，并结合高Q腔降阈值。凭借简单的溶液工艺，BTA3-类发光体为电泵有机激光二极管及可扩展软性近红外光源铺平道路。

来源：高分子科学前沿

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