他，师从王中林院士、鲍哲南院士，Science之后，连发2篇Nature Materials！

突破可拉伸OLED性能瓶颈：高效电子注入新设计推动可穿戴显示技术发展

可拉伸有机发光二极管（OLED）正逐步改变人机交互与可穿戴技术的面貌，然而其性能仍远不及商业化的非可拉伸OLED，主要瓶颈在于电子注入效率低下。尽管近年来在可拉伸发光层方面取得显著进展，如荧光、磷光及热激活延迟荧光材料的开发，但电子传输层与阴极的设计却一直未能实现理想的能级对齐与可拉伸性，导致器件整体效率受限。

为解决这一难题，芝加哥大学王思泓、Juan J. de Pablo合作通过重新设计电子传输层与阴极结构，成功实现了高效电子注入。他们开发了一种具有高拉伸性和理想能级的共聚物电子传输层，并利用液态金属脆化效应赋予铝薄膜可拉伸性，同时保持其电学和光学特性。基于这两项创新，研究团队制备出全可拉伸OLED器件，其外部量子效率高达8%，开启电压低至3.5V，性能与使用相同发光层的刚性OLED相当，显著缩小了可拉伸器件与标准器件之间的性能差距。相关论文以“Enabling efficient electron injection in stretchable OLED”为题，发表在Nature Materials上。

图1展示了本研究在电子注入能级对齐方面的突破。与以往设计相比，新型可拉伸电子传输层聚合物与脆化铝阴极的结合，有效提升了电子注入效率。图中比较了不同可拉伸电极（如银纳米线、碳纳米管等）的功函数，凸显了铝阴极在低功函数方面的优势。此外，器件在拉伸状态下仍能稳定发光，显示出其在实际应用中的潜力。

图1：通过可拉伸ETL聚合物和可拉伸阴极设计实现高效电子注入。a：与先前设计相比，本研究通过新型ETL聚合物和阴极层改善了电子注入的能级对齐。b：基于共聚物设计的可拉伸ETL聚合物。c：基于液态金属对铝薄膜脆化效应的可拉伸阴极设计（左），以及本研究可拉伸阴极与银纳米线、碳纳米管和PEDOT:PSS电极的功函数比较（右）。d：使用本研究可拉伸ETL聚合物和脆化铝阴极制备的全可拉伸OLED器件照片。e：本研究可拉伸TADF-OLED的最大外部量子效率和开启电压与先前设计的比较。

图2进一步揭示了新型电子传输层聚合物的结构与性能。通过密度泛函理论与分子动力学模拟，研究人员发现聚合物主链中烷基链的引入不仅增强了材料的拉伸性，还保持了较高的三重态能级，有效抑制了激子淬灭。实验结果表明，该类聚合物具有与常用小分子电子传输材料相当的电子迁移率与能级位置，且在OLED器件中实现了高达9%-10%的外部量子效率，远超以往基于PFN-Br的可拉伸电子传输层。

图2：不同烷基链摩尔分数的可拉伸ETL聚合物表征。a：DFT模拟显示聚合物构象结构与LUMO分布。b：从MD模拟中提取的五种PTG基聚合物的三嗪-三嗪构型统计。c,d：PTG75D的LUMO/HOMO能级与T1能级与PEIE_PFN-Br、TPBI和TmPyPB的比较。e：电子仅器件中测得的PTG基聚合物电子迁移率。f：用于表征PTG基聚合物作为ETL的OLED器件结构示意图。g,h：使用四种PTG基聚合物、PEIE_PFN-Br、TPBI和TmPyPB作为ETL的OLED器件的代表性J-V与L-V曲线及最大外部量子效率。

图3聚焦于电子传输层聚合物的机械性能。随着烷基链摩尔分数的增加，材料的裂纹起始应变从不足5%提升至200%，同时玻璃化转变温度与弹性模量逐渐降低。在拉伸过程中，OLED器件的电流密度、亮度与效率均保持稳定，即使经过500次100%应变的循环拉伸，性能也未出现明显衰减。非亲和位移分析表明，软性烷基链有效增强了整体结构的形变能力。

图3：ETL聚合物的可拉伸性。a：五种ETL聚合物薄膜在PDMS基底上的裂纹起始应变。b：PTG75D薄膜在100%应变下的光学显微镜与原子力显微镜图像。c：四种不同烷基链分数ETL聚合物的玻璃化转变温度与弹性模量。d：用于表征拉伸下ETL聚合物OLED性能的器件结构示意图。e：PTG75D在不同应变下的代表性J-V与L-V曲线。f：PTG75D在不同应变下的归一化最大外部量子效率与电致发光光谱。g：PTG75D薄膜作为ETL在OLED中重复拉伸的示意图。h：PTG75D经不同次数100%应变循环后的代表性J-V与L-V曲线。i：PTG75D经不同次数拉伸后的归一化最大外部量子效率与电致发光光谱。j：非亲和位移示意图。k：ETL聚合物在5%应变下主干刚性段、软链与侧链的非亲和位移分布。

图4介绍了基于液态金属脆化效应的可拉伸阴极设计。通过在铝薄膜表面涂覆AlGaIn液态金属，研究人员成功实现了铝的脆化，使其在拉伸时不易形成宏观裂纹。该阴极保留了铝的低功函数（约2.9 eV）和高反射率，电子注入能力与标准铝阴极相当，远优于以往使用的银纳米线或PEDOT:PSS电极。

图4：基于液态金属脆化效应的可拉伸铝薄膜阴极设计。a：液态金属（AlGaIn）层脆化铝薄膜以实现高拉伸性的示意图。b：脆化铝表面的SEM图像与EDS元素分布图。c,d：在无氧环境中，Al掺入EGaIn显著改善液态金属在铝表面与PDMS表面的润湿性。e：脆化铝薄膜从表面至不同深度的铝、镓、铟原子分数分布。f：脆化铝薄膜与未处理铝薄膜在应变下的方块电阻变化。g：脆化铝薄膜与未处理铝薄膜在100%应变下的光学显微镜图像。h：通过UPS测量LiF/铝双层阴极的功函数受脆化处理的影响。i：不同EIL/阴极双层在电子仅器件中的电子注入能力比较。j：脆化铝薄膜与普通铝、PEDOT:PSS和银纳米线薄膜的反射光谱比较。

图5展示了整合上述设计的全可拉伸OLED器件。该器件在拉伸至60%-80%应变时仍能维持75%以上的初始效率，发光光谱与色坐标保持稳定。与以往报道的可拉伸发光器件相比，本研究器件在效率与开启电压方面均达到领先水平，适用于从蓝光到红光的广色域显示应用。

图5：基于可拉伸ETL聚合物（PTG75D）与脆化铝阴极的全可拉伸OLED。a：器件结构示意图。b：器件能级图。c：代表性电流密度-电压与亮度-电压曲线。d：代表性外部量子效率-电流密度曲线。e：代表性OLED器件在0%至80%应变下的照片。f：可拉伸OLED在不同应变下的归一化亮度与外部量子效率。g：本研究可拉伸OLED与以往报道的可拉伸OLED、量子点LED及发光电化学电池在开启电压与电流效率方面的比较。

本研究成果成功解决了可拉伸OLED发展中长期存在的电子注入难题，通过创新性的电子传输层与阴极设计，使全可拉伸器件在性能上逼近传统刚性OLED。这不仅为高性能、类皮肤显示技术的商业化铺平了道路，也为未来集成更高性能发光材料提供了可靠平台。

作者简介

王思泓
芝加哥大学普利兹克分子工程学院
Assistant Professor

2009年于清华大学获学士学位，2014年于佐治亚理工学院获材料科学与工程博士学位。2015年至2018年，于斯坦福大学化学工程专业从事博士后研究。在众多高影响力期刊上发表论文80余篇，包括Science, Nature, Nature Materials, Nature Electronics, Matter等。

研究团队聚焦于可作为新一代技术用于生物医学研究和治疗的柔性聚合物生物电子材料和设备。截至2024年10月，相关研究被引27,500多次，H指数为66。并连续被Clarivate Analytics评为“高被引科学家”(2020-2023)，荣获美国国立卫生研究院(NIH)院长新创新者奖、美国国家科学基金会(NSF)CAREER奖、美国海军研究办公室(ONR)青年研究员奖、麻省理工学院《技术评论》35岁以下创新者奖(TR35全球榜单)等奖项。

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