科学家采用电子和频产生光谱法研究有机发光二极管中的电荷传输机制。高分辨率全彩显示设备，例如可折叠智能手机和超薄电视，都依赖于有机发光二极管 (OLED)。与其他显示技术相比，OLED 具有独特的优势，包括柔韧性、自发光、轻量化结构、超薄外形、高对比度和低压工作。这些特性使得 OLED 近年来越来越具有吸引力。
为了延长OLED器件的寿命和效率，了解器件内部不同界面的电荷行为至关重要。千叶大学的宫前隆之教授及其团队利用电子和频产生光谱法，了解OLED器件内部不同界面的电荷行为和振动结构。图片来源：Ka Kit Pang，来自维基共享资源
OLED 由位于两个电极之间的多层超薄有机薄膜组成。每层在器件的运行中都发挥着特定的作用。施加电压后，电荷会在这些有机层之间的界面处积累并发光。虽然多层结构可以精确控制电荷积累、电荷传输和光的产生，但实现 OLED 功能的这些过程本身也会随着时间的推移导致有机层性能下降。这种性能下降会限制 OLED 器件的寿命和效率。
了解这些界面上的电子结构在工作过程中的行为方式仍然是一项重大挑战。为了解决这个问题，日本千叶大学的镝木达也、宫前贵之教授与和森本一典博士合作，采用了一种称为和频生成（SFG）的二阶非线性光谱法。这项技术使他们能够研究OLED运行过程中界面的振动和电子特性，从而为其在实际条件下的行为提供新的见解。
当电压施加到OLED系统时，光会通过有机界面处的电荷复合而发射出来。这会改变SFG的输出，使研究人员能够研究电荷如何积累，以及在不同工作条件下界面处发生的电子结构变化。该团队于2025年3月10日在著名的《材料化学杂志C》上在线发表了这项用于研究OLED内部电荷行为的非破坏性创新光谱技术。
本研究采用了三种不同的多层OLED，它们具有不同的有机层类型和组合。对这三种OLED器件进行了电子场强光栅（ESFG）光谱分析，以探究界面电荷行为和电子结构引起的光谱变化。“我们基于ESFG光谱对施加电压的依赖性，研究了OLED器件内部电场强度的差异。这首次阐明了场强差异对内部电荷流动顺畅度和发光特性的影响，”宫前教授在谈到该团队的研究时解释道。
通过比较三个OLED器件的吸收光谱和层结构，确定了每个有机层对应的ESFG光谱带。研究人员观察到在OLED器件上施加电压时光谱信号强度的变化，这与OLED内部电场和电荷行为的变化有关。
施加电压后，空穴传输材料（OLED内部的正电荷载流子）吸收带处的光谱信号强度增加，而发光层吸收带处的信号强度降低。这表明OLED内部有机层间的内部电荷流动存在差异，从而导致光谱发生变化。
该团队还在这些器件上施加了方波脉冲电压，以研究器件内部形成的电场如何随时间变化。他们发现，添加BAlq（一种用于OLED电子传输的材料）会改变OLED中光发射的位置。这种发射位置的变化会影响发射光的颜色和形状，以及器件将电能转化为光能的效率。
研究人员在谈到这项创新研究工作时指出：“ESFG 技术代表了一种新颖、高效、非破坏性、非侵入性的光谱方法，用于检查固态薄膜器件中注入电荷引起的电场产生。”
借助这项技术，材料科学家现在可以设计出具有更长器件寿命、更高能效和更低成本的OLED，最终扩大超薄有机器件在日常生活中的应用。“此外，这项研究可以大大缩短和简化材料开发研究，目前这些研究需要反复试验和长时间的退化验证来评估器件的效率和寿命，”宫前教授补充道。
编译自/ScitechDaily