南工大黄维院士、林进义教授/南邮王永进AM：高性能可打印深蓝色荧光聚合物实现全有机RGB可见光通信

可见光通信技术凭借其高速数据传输能力，正成为现代通信系统的重要基石。随着信息技术的飞速发展，全有机红绿蓝可见光通信系统因其能与现有照明基础设施无缝集成而展现出巨大应用前景。然而，可打印深蓝色有机发光二极管的稳定性、效率和激子衰减时间目前仍难以满足可见光通信系统对高带宽、快速响应和高速数据传输的需求。传统的深蓝色OLED面临发光效率低、激子寿命长（>10 ns）、光谱稳定性差和工作寿命短等多重挑战，这主要是由于激子能量高以及固态下复杂的光物理过程所致。

针对这一难题，南京工业大学黄维院士、林进义教授和南京邮电大学王永进教授合作，成功合成了两种新型可打印深蓝色荧光发光π-共轭聚合物。这两种基于多维自封装策略设计的材料展现出约0.30 ns的超快激子衰减寿命，为高带宽和快速响应提供了可能。基于PDCPSAF的深蓝色OLED实现了1.94%的外量子效率、21 nm的半峰宽窄发射、6698 cd/m²的高亮度以及优异的稳定性。研究团队最终成功构建了初步的全有机RGB可见光通信系统，通过高效的能量转移，实现了1 Mbps速率的伪随机二进制序列信号和音频数据传输。相关论文以“Printable Deep-Blue Fluorescent Light-Emitting π-Conjugated Polymers for All-Organic RGB Visible Light Communication”为题，发表在

Nature Communications

在材料设计方面，研究团队采用多维自封装策略，通过在聚芴的9位和4位分别引入三苯胺和咔唑堆叠取代基，成功合成了PHCPSAF和PDCPSAF两种新型荧光自封装聚合物。与传统的线性荧光深蓝色LπCPs相比，这种双侧不对称立体取代基设计通过极弱的链间π-π相互作用有效隔离了主链发色团，确保了短激子寿命、高发射效率和优异的光谱稳定性（如图1所示）。两种聚合物的数均分子量分别为13 kDa和23 kDa，玻璃化转变温度高达202°C和160°C，表现出优异的热稳定性。循环伏安法测试表明，TPA和Cz官能团的引入将HOMO能级提升至-5.4至-5.5 eV范围，降低了空穴注入势垒。

示意图1 | 用于全有机RGB可见光通信的可印刷荧光自封装LπCPs的分子设计原理和示意图。(a) 无线通信光谱全景。(b) 荧光自封装PHCPSAF和PDCPSAF的化学结构。所设计的材料可通过溶液加工有效用于制备具有极快发射体衰减时间的PLEDs。(c) PDCPSAF薄膜的归一化紫外吸收和光致发光光谱。广泛的光谱重叠确保了全有机VLC系统的构建。

在光学性能研究中，PHCPSAF和PDCPSAF薄膜展现出相似的特征吸收峰和发射光谱，在425、450和485 nm处呈现三个明显的发射峰，分别对应聚芴单链的0-0、0-1和0-2振动跃迁特征发射。与溶液态相比，两种聚合物的薄膜态光谱仅出现轻微红移（分别为14 nm和11 nm），表明其优异的自封装能力。值得注意的是，PHCPSAF和PDCPSAF的薄膜荧光寿命分别仅为0.30 ns和0.33 ns，这种皮秒级的超快激子衰变为OLED在短间隔电压脉冲下的快速重复开关提供了可能。飞秒瞬态吸收光谱显示所有聚合物薄膜均表现出强烈的受激发射，凸显了其良好的发光能力和高激子利用效率。

研究团队进一步探索了PHCPSAF和PDCPSAF薄膜的发射光谱和电化学循环稳定性。即使在高温退火后，两种聚合物的光谱轮廓基本保持不变，维持深蓝色发射；未处理薄膜在空气中暴露七天后，发射峰也未出现显著变化，彰显了其优异的空气稳定性。在370 nm连续紫外光激发1500秒后，PDCPSAF的发射峰衰减速率明显慢于对照样品。与传统聚芴相比，Cz单元的引入显著提高了聚合物的光谱稳定性，有效屏蔽了水氧等环境因素对聚合物共轭主链的氧化降解作用。AFM表征显示，通过刮涂法制备的薄膜均匀致密，表面粗糙度极小，高温处理后表面变得更加光滑。

图1 | PHCPSAF和PDCPSAF的稳态和瞬态光物理性质。(a) PDCPSAF和PHCPSAF在原始状态及相应薄膜在空气中老化七天和不同温度退火后的光致发光光谱（温度：25°C，湿度：35–45%，日光）。(b) PDCPSAF和(c) PHCPSAF原始薄膜的瞬态吸收光谱。(d) 相应甲苯稀释溶液和薄膜的荧光寿命（τ）和光致发光量子产率（ϕ）。(e) 聚合物薄膜在10次循环下的循环伏安法氧化曲线（溶剂：乙腈）。

基于上述优异的光物理性能，研究团队制备了以PHCPSAF和PDCPSAF为发光层的器件。电致发光光谱与光致发光光谱高度吻合，主发射峰位于437 nm和438 nm，表明凝聚态结构中链间聚集极弱。PDCPASF的半峰宽相对较窄，刮涂器件仅为21 nm。PHCPSAF和PDCPSAF均实现了低开启电压（3.8 V），亮度分别达到3657 cd/m²和6698 cd/m²，EQE分别为1.07%和1.94%。单载流子器件测试证实Cz单元的引入确实增强了空穴传输能力。瞬态电致发光分析显示，材料具有高效的载流子注入和传输、快速的复合动力学、极少的陷阱态和缺陷以及优异的电荷平衡。封装器件在恒流密度下的亮度衰减测试表明，与对照器件相比，PHCPASF的寿命提升了500%，且在运行过程中保持稳定的色纯度。

图2 | 基于PHCPSAF和PDCPSAF的PLEDs的器件结构与性能。(a) 器件结构示意图。(b) 电流密度-电压-亮度特性曲线。(c) 电致发光光谱（插图为深蓝色发射的照片及CIE坐标）。(d) 外量子效率-亮度曲线。(e) 单空穴器件性能。(f) 瞬态电致发光曲线。(g) 器件在加热及电压应力下的稳定性测试。(h) 器件在恒流密度下的寿命曲线。(i) 色坐标随时间的稳定性。

最终，研究团队利用PDCPSAF薄膜在可见光区域的紫外吸收与光致发光发射光谱之间的显著重叠（约400-700 nm），成功建立了基于RGB三原色的全有机可见光通信系统（如图3所示）。这种光谱重叠赋予了器件吸收自身发射光的能力，即探测功能。结合瞬态EL测量所展示的快速响应能力，该系统成功实现了10 Mbps速率下的PRBS信号传输以及音频信号的发射与接收。接收信号与发射信号之间展现出极佳的对应关系，这一进展极大地拓展了可印刷PLEDs深蓝色发光在可见光通信领域的应用范围。

图3 | 全有机RGB可见光通信。(a) 基于两个相同的PDCPSAF模型PLED器件作为光源和信号接收器的VLC系统测试原理和示意图。(b-d) 红色、绿色和蓝色PLEDs的性能。(e-g) 基于红、绿、蓝三原色在10 Mbps通信速率下传输和接收的PRBS信号对比。(h-j) 基于红、绿、蓝三原色的音频接收和传输信号。

本研究成功制备的多维自封装荧光LπCPs展现出约0.30 ns的超快激子衰减时间，非常适用于全OLEDs RGB可见光通信系统。合成的PDCPSAF表现出优异的光电性能，包括1.94%的高EQE、21 nm的窄发射半峰宽以及在连续运行条件下的卓越耐久性。PDCPSAF在可见光区域的紫外吸收与PL发射光谱之间的重叠使得同一器件内能够实现有效的光吸收和发射，促进能量高效利用。更重要的是，该材料作为主体能够向红色和绿色染料进行能量转移，产生全色发射，使其适用于先进的全有机RGB可见光通信系统。基于RGB三原色的可见光通信系统的成功建立，充分展示了该系统的实际应用潜力。