首尔国立大学开发出高亮度长寿命的深蓝色OLED器件

CINNO Research产业资讯，近日，《Advanced Optical Materials》期刊上刊发了一项重要的OLED研究成果：由首尔国立大学与三星先进技术研究院联合组建的科研团队，成功研发出一款兼具超高稳定性与极致色纯的深蓝光磷光敏化荧光有机发光二极管（PSF OLED）。测试结果显示，该OLED器件在 1000 cd/m² 标准亮度下，亮度衰减至初始值 90% 的时间（T90）达到 141 小时，CIE色坐标 y 值低至 0.14，超过同类未优化器件，打破了长期以来深蓝光OLED “效率与稳定性不可兼得” 的技术魔咒。另一方面，这一研究首次通过低温光谱与多通道激子动力学模型，定量揭示了 PSF OLED 降解的核心机制，建立了分子与器件层面的系统性设计规则，为未来智能手机等高端电子设备的显示技术升级提供了参考解决方案。

深蓝光—— OLED 技术的 “阿喀琉斯之踵”

OLED自诞生以来，凭借自发光、高对比度、柔性可弯曲、低功耗等优势，迅速在高端显示领域确立统治地位。从三星 Galaxy 系列的动态 AMOLED 屏幕到 LG 的 8K OLED 电视，从苹果 Watch 的柔性表盘到华为 Mate X 的折叠屏，OLED 技术已深度融入消费电子的核心场景。然而，深蓝光 OLED 始终是行业公认的 “技术硬骨头”，其核心矛盾在于 “效率与稳定性的失衡”。现有技术路径存在无法调和的短板，存在着如下三大困境：

磷光OLED 与热激活延迟荧光OLED：虽能实现 100% 的内量子效率（IQE），但依赖高能量的三线态激子—— 这些高能粒子会持续冲击有机分子的化学键，导致器件在工作数小时内就出现明显降解，使用寿命通常不足 50 小时，难以满足消费电子 “数千小时使用” 的基本需求。

传统荧光 OLED：稳定性相对较好，但受限于自旋统计规律，内量子效率仅为 25% 左右，实际外量子效率（EQE）不足 40%，需要更高驱动电流才能达到目标亮度，反而加剧了功耗与发热，进一步限制了应用场景。

早期 PSF OLED 技术：为破解上述困境，科研界提出磷光敏化荧光（PSF）机制 —— 通过磷光敏化剂将长寿命三线态激子转化为短寿命发光单线态激子，理论上可兼顾 100% IQE 与高稳定性。但 PSF 架构的复杂性带来了新的难题：磷光敏化剂与多共振（MR）TADF 发射器在共主体基质中形成交织的激子过程，使得器件降解的根源始终无法精准定位，导致技术优化陷入 “盲目试错” 的困境。

“深蓝光 PSF OLED 的稳定性调控，是 OLED 技术从消费电子向汽车、VR 等更严苛场景延伸的最后一道门槛，” 研究团队表示，“在此之前，全球科研界都知道三线态积累是降解的关键，但没有人能说清哪些激子过程主导了这一现象，也缺乏可量化的设计准则，导致器件性能提升始终停留在‘修修补补’的层面。”

图1. a) 三种多共振热激活延迟荧光发射器的化学结构：CzPh-DABNA、CzBiPh-DABNA 和 4tBu-DABNA；b) 稳态光致发光光谱；c) 这些发射器掺杂在共主体基质中、于293 K 下测得的瞬态光致发光衰减曲线

两大设计原则，解锁稳定性难题

针对 PSF OLED 的技术瓶颈，联合团队创新性地将低温光致发光光谱与多通道激子动力学模型相结合，首次定量分离并验证了影响器件稳定性的核心机制，提出了两大可直接落地的设计原则。

（一）设计原则1：活化能 —— 三线态诱导降解的 “控制阀”

研究团队发现，MR TADF 发射器的反向系间窜越活化能是决定器件寿命的核心因素。反向系间窜越是指三线态激子通过热激活转化为单线态激子的过程，其活化能的高低直接决定了三线态激子的能量状态与积累效率。

1. 实验设计与关键数据

团队精心挑选了三种结构相似但电子特性存在细微差异的深蓝光 MR 发射器 ——CzPh-DABNA、CzBiPh-DABNA 和 4tBu-DABNA，在保持磷光敏化剂（PtON-TBBI）、共主体基质（SiCzCz/SiTrzCz2=60:40）及器件结构完全一致的前提下，系统对比了它们的性能表现：

数据清晰显示，活化能高于 0.10 eV 的两种发射器（CzPh-DABNA 和 CzBiPh-DABNA）对应的器件，T90 寿命均超过 100 小时，其中 CzBiPh-DABNA 基器件更是达到 141 小时；而活化能仅为 0.07 eV 的 4tBu-DABNA 基器件，寿命仅为 35 小时，差距高达 4 倍。值得注意的是，三者的室温光致发光量子产率和最大外量子效率相差无几，说明活化能的提升并未牺牲器件的发光效率，真正实现了 “效率与稳定性双赢”。

2. 背后的原理机制

“高活化能的核心作用，是降低了中间三线态的能量水平，”研究人员解释道。传统观点认为，RISC过程是直接从最低三线态到最低单线态的转化，但团队通过动力学建模发现，MR发射器的RISC实际是通过中间三线态的分步热激活实现的。

高活化能意味着中间三线态的能量更低，这会带来两个关键影响：一是减少三线态 - 三线态湮灭（TTA）、三线态 - 极化子湮灭（TPA）等过程产生的高能激发态；二是降低高能激发态对MR发射器化学键的冲击，从而抑制分子解离 —— 这正是 PSF OLED 降解的主要路径。

实验数据显示，高活化能发射器的键解离概率仅为低活化能发射器的一半左右，直接证明了活化能对降解过程的抑制作用。

图2. 293 K和135 K下PSF体系的激子动力学过程

（二）设计原则2：FRET与DET的竞争 —— 三线态积累的 “调节器”

在PSF架构中，磷光敏化剂的三线态激子可通过两种路径转移至MR发射器：福斯特共振能量转移（FRET）和德克斯特能量转移（DET）。这两种路径的竞争关系，是影响三线态积累的关键因素。

1. 两种路径的核心差异

FRET路径：直接将磷光敏化剂的三线态激子转化为MR发射器的单线态激子，转化效率高且无三线态积累，是 “理想路径”；

DET路径：将磷光敏化剂的三线态激子转化为MR发射器的三线态激子，这些三线态激子需通过RISC转化为单线态才能发光，过程中易导致三线态积累，进而引发降解。

由于两种路径的荧光信号在室温下存在时间尺度重叠，传统测试方法无法区分其贡献。团队创新性地利用低温环境抑制RISC过程，使得DET路径无法产生发光，从而首次实现了对 FRET路径的独立表征。

2. 实验验证与寿命差异

团队通过对比PSF EML（含磷光敏化剂和MR发射器）与TADF EML（仅含MR发射器）的低温光致发光强度变化，量化了FRET与DET的贡献比例：

CzBiPh-DABNA基PSF器件：PSF EML与TADF EML的低温PL强度衰减趋势基本一致，表明FRET路径占主导（DET贡献极小），其T90寿命达到141小时；

CzPh-DABNA基PSF器件：PSF EML的低温PL强度衰减幅度远大于TADF EML，表明DET路径占主导，其T90寿命为108小时，较FRET主导器件低23%。

这一结果证实，当FRET路径占优时，MR发射器中的三线态积累被显著抑制，器件稳定性大幅提升。数据显示，FRET 主导的器件较DET主导的器件，寿命提升约30%，进一步验证了能量转移路径的调控价值。

3. 关键结论：活化能的影响权重更大

值得关注的是，团队发现活化能对寿命的影响权重远超FRET/DET竞争关系。例如，4tBu-DABNA基器件的FRET贡献比例甚至高于CzPh-DABNA基器件，但由于其活化能极低，寿命仍仅为35小时。这表明，PSF OLED的降解主要由MR发射器的三线态能量水平（由活化能决定）调控，而FRET/DET竞争关系是重要的辅助优化因素。

“这一发现为技术优化提供了明确优先级：首先通过分子设计提升MR发射器的活化能，再通过器件结构优化强化FRET路径，就能实现稳定性的最大化提升，”研究人员总结道。

图3. a) 左图：MR-TADF发光层薄膜在135 K和293K下的光致发光量子产率比值；b) 活化能关系曲线及其与键解离概率的关系曲线；c) 高活化能与低活化能MR-TADF发射器的热激子能级对比图

技术支撑：创新方法解锁激子“黑箱”

该研究的突破，不仅在于揭示了核心机制，更在于开发了一套可复制、可推广的实验与建模方法，成功解锁了PSF OLED中复杂激子过程的 “黑箱”。

（一）低温光致发光光谱技术：分离激子路径的 “显微镜”

团队搭建了高精度低温光致发光测试平台，通过液氮制冷将样品温度精准控制在135K。在这一温度下，RISC过程被完全抑制，DET路径无法产生发光，此时的光致发光信号仅来自FRET路径，从而实现了对两种能量转移路径的独立表征。

测试平台采用连续波激光作为稳态光致发光激发源，脉冲Nd:YAG激光作为瞬态光致发光激发源，结合光电倍增管和数字延迟发生器，实现了高达107的信号信噪比—— 这一指标较传统测试平台提升了三个数量级，能够精准捕捉到微弱的延迟荧光信号，为激子过程的定量分析提供了基础。

（二）多通道激子动力学模型：量化激子过程的 “计算器”

为了从实验数据中提取关键参数，团队开发了两套相互印证的动力学模型：

PSF_PL模型：用于解析光致发光过程中的激子转移与衰减，通过耦合速率方程，量化了FRET速率、DET速率、RISC速率等核心参数；

PSF_OLED模型：用于模拟器件工作时的激子 - 电荷相互作用与降解机制，全面考虑了电荷俘获、缺陷生成、激子湮灭等过程，成功复现了器件的亮度衰减曲线和电压上升趋势。

通过这两套模型，团队首次实现了对PSF OLED降解过程的定量预测，为分子设计与器件优化提供了 “数字孪生” 工具。例如，通过模型可直接计算不同活化能对应的器件寿命，无需进行大量实验试错，大幅缩短了研发周期。

图 4. a) 变温条件下稳态光致发光与瞬态光致发光测量的实验装置；b) 利用两片线性偏振片和门控光电倍增管实现高信噪比瞬态光致发光的多脉冲数据拼接方法；c) 于293 K和135 K下测得的高信噪比瞬态光致发光曲线

（三）系统性对比实验：验证结论可靠性的 “对照组”

为了排除非激子因素（如电荷传输、界面特性）的干扰，团队设计了三类对照器件：PSF OLED：双掺杂体系（磷光敏化剂+ MR发射器）；磷光OLED：仅含PtON-TBBI磷光敏化剂；TADF OLED：仅含MR发射器。

实验结果显示，PSF OLED与磷光OLED的电流-电压特性基本一致，而TADF OLED的电阻率显著更高。这表明在PSF架构中，MR发射器几乎不参与电荷传输，激子形成完全依赖能量转移 —— 这一结果验证了实验设计的合理性，确保了结论的可靠性。

样品制备和性能测试：效率、色纯与稳定性提升

在两大设计原则的指导下，联合团队开发的深蓝光PSF OLED展现出全面的性能优势，多项指标达到行业顶尖水平。

（一）底发射结构：稳定性与效率的完美平衡

底发射器件采用 “ITO/HAT-CN/BCFN/SiCzCz/EML/mSiTrz/mSiTrz:Liq/LiF/Al” 的层叠结构，核心性能测试结果如下：

稳定性：T90=141小时（1000 cd/m²），较未优化器件提升4倍，是目前已报道的深蓝光PSF OLED中最长寿命；

发光效率：最大EQE=21.4%，接近理论上限（23%），较传统荧光OLED提升1倍以上；

色纯：CIE xy坐标 =(0.14, 0.14)，y值≤0.15，满足深蓝光的严格定义，半高宽（FWHM）≤20 nm，色彩还原度极高；

功耗：工作电压仅为4.3 V（1000 cd/m²），较同类器件低15%，能效优势显著。

图 5. a)磷光敏化荧光有机发光二极管的器件结构及所用材料的化学结构；b) 电流密度-电压特性曲线；c) 瞬态电致发光曲线；d) 外量子效率-电流密度特性曲线；e) 1000 cd/m² 亮度下的电致发光光谱；f) DCzPh、DCzBiPh和D4tBu三种器件在1000 cd/m²初始亮度、恒流驱动条件下的亮度随时间衰减曲线

（二）顶发射结构：极致色纯适配高端场景

为了满足VR/AR、车载显示等特殊场景的需求，团队还开发了顶发射结构器件，核心性能测试结果如下：

色纯：CIE y=0.058，接近BT.2020超高清显示标准，半高宽仅为17 nm，是目前色纯度最高的深蓝光OLED之一；

稳定性：T90=94小时（1000 cd/m²），在顶发射架构中处于领先水平；

兼容性：采用透明阳极设计，可适配柔性、透明显示等新兴形态，拓展性极强。

“顶发射结构的突破，意味着我们的技术不仅能用于传统平板显示，还能满足下一代智能设备的多元化需求，”研究人员表示，“例如，在VR设备中，极致色纯能提升沉浸感，长寿命能减少设备维护成本，低功耗则能延长续航时间。”

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