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随着显示技术的飞速发展，市场对新一代显示器的性能要求不断提高，其中高亮度、高色纯度等成为关键指标。传统的有机发光二极管（OLEDs）因其轻便、柔性、高效率等优势，已经广泛应用于智能手机、电视和其他显示设备中。然而，随着超高清（UHD）显示技术的不断普及，现有的OLED技术在色彩纯度和发光亮度等方面逐渐暴露出不足。特别是在满足国际电信联盟无线电通信部门（ITU-R）推荐的BT.2020色彩标准方面，现有的OLED技术仍面临巨大挑战。在此背景下，有机激子极化激元发光二极管（OPLEDs）作为一种新兴技术，逐渐引起了研究者们的广泛关注。OPLEDs通过将有机激子与光学微腔强耦合，能够在室温下产生高效的激子极化激元发光。这种发光具有窄带发射和高的色彩纯度，为解决现有OLED技术在高端显示应用中的瓶颈问题提供了新的思路。近日，首都师范大学与国内外多家知名科研机构合作，成功开发出一种基于有机单晶的OPLEDs。这一突破性研究成果不仅显著提升了器件的发光性能，还为未来的电驱动极化激元激光器的开发奠定了坚实基础。该研究通过对有机材料的结构精细调控和对光学微腔的优化设计，实现了OPLEDs的高亮度和高色纯度发光，特别是在红光显示领域，达到了接近BT.2020标准的色彩表现。此外，研究团队还对该器件进行了系统的实验验证，展示了其在高亮度和长寿命条件下的优异性能表现。该研究成果以“Organic polaritonic light-emitting diodes with high luminance and color purity toward laser displays”为题，在线发表在Light: Science & Applications上。本文的共同第一作者是首都师范大学化学系的德健博博士、赵瑞阳、尹璠博士，通讯作者为首都师范大学的付红兵教授和廖清教授。研究团队还包括来自中国科学院过程工程研究所的顾春玲副研究员、天津大学的黄涵博士以及湖南科技大学材料科学与工程学院的廖博副教授。![]()
图1：OPLED设备架构示意图及TTPSB单晶的生长方向排列图传统的OLED发光材料由于激子与振动之间的耦合，以及激发态下的结构弛豫，通常表现出较宽的发射带宽，通常半高全宽（FWHM）超过60 nm。这种宽带发射虽然能够覆盖较广的色彩范围，但却导致了色彩纯度的下降，难以满足当前超高清显示设备对色彩的高标准要求。例如，国际电信联盟无线电通信部门（ITU-R）推荐的BT.2020色彩标准对显示器的色彩表现提出了极高的要求，而现有的大多数OLED技术难以在不牺牲亮度和效率的前提下，达到这一标准所要求的色域范围。
近年来，研究人员尝试通过超荧光和基于硼/氮（B/N）的多共振策略，来缩小OLED发光材料的发射带宽，使其能够更好地符合BT.2020的色域标准。虽然这些策略在一定程度上改善了OLED的色彩纯度，但在实际应用中，依然面临一些难以克服的挑战，例如新材料的合成难度大，且需要复杂的制造工艺和较高的生产成本。此外，这些材料在实际操作中的稳定性和寿命也无法完全满足工业化生产的需求。因此，如何在不牺牲其他性能的情况下，进一步提高OLED的色彩纯度和发光效率，仍然是当前显示技术领域的一个重要课题。
为了克服这些挑战，研究人员提出了一种全新的技术路径，即通过强耦合有机激子与光学微腔，来实现OPLEDs的开发。这种技术利用激子极化激元这一准粒子，结合有机材料的优异光电性能，不仅能够在室温下实现极高亮度和高色彩纯度（明亮均匀的红色）的发光，还能够显著缩小发射光谱的带宽，从而满足超高清显示设备对色彩的要求。
图2：TTPSB OPLED的明场、电致发光图像及红光CIE坐标
激子极化激元发光的原理基于激子与光子在光学微腔中的强耦合效应。当有机激子与微腔光子发生强耦合时，会形成一种新的准粒子——激子极化激元。激子极化激元结合了激子和光子的特性，所产生的发射不仅具有较窄的带宽，还能够在不同的角度下保持一致的色彩表现。此外，有机激子极化激元还具有较高的振子强度和激子结合能，使其在室温条件下仍能稳定工作，从而具有广泛的应用前景。虽然OPLEDs在理论上表现出诸多优势，但在实际应用中仍面临一些挑战。首先，如何有效地将有机材料与光学微腔进行集成，并实现稳定的强耦合，是该技术应用的关键问题之一。其次，由于激子极化激元的形成依赖于高质量的光学微腔结构，因此在制造过程中需要高度精确的控制，以确保微腔的高反射率和低损耗。此外，OPLEDs的电驱动效率和器件寿命也需要进一步的优化，以满足商业化应用的需求。此次研究的创新之处在于，研究团队开发了一种基于有机单晶的OPLEDs，该器件通过强耦合有机激子与光学微腔，成功实现了具有高亮度、窄带发射和高色纯度的电致发光器件。该方法的核心在于利用有机激子极化激元这一准粒子，结合有机材料的优异光电性能，实现了在室温下的激子极化激元发光，并通过实验和理论计算验证了其在未来电驱动激光器中的应用潜力。在本研究中，研究团队设计并制造了一种单晶OPLEDs。该器件基于1,4-二甲氧基-2,5-双（2,2',5',2''-三噻吩乙烯基）苯（TTPSB）单晶，利用银膜形成的光学微腔实现了强耦合现象。通过在实验中测量角度分辨光致发光（ARPL）光谱，研究人员验证了激子极化激元的产生，并通过实验分析揭示了该器件在不同泵浦密度下的发光特性。实验结果显示，该OPLED在低光泵浦密度下表现出激子极化激元发射特性，而在高光泵浦密度下，激子极化激元则在LP2分支的底部凝聚，形成了具有激光特性的相干发射。通过功率依赖性的光谱分析，研究人员观察到随着泵浦功率的增加，发射光谱呈现出典型的激光行为，即强度迅速增加并伴随发射光谱的带宽收窄。此外，该OPLED还展示了出色的电致发光特性，其峰值发射波长为627 nm，发射峰宽仅为4.1 nm，具有高达78万cd/m²的亮度和显著的长期稳定性。该研究开发的OPLEDs在显示技术领域展现出巨大的应用潜力。凭借其高亮度、窄带发射和优异的色彩纯度，OPLEDs有望在未来的超高清显示器、激光显示设备以及虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术中得到广泛应用。这种OPLEDs不仅能够满足当前市场对高品质显示效果的需求，还可以大幅提升显示设备的能效，延长使用寿命，从而降低能耗和维护成本。
展望未来，研究团队将进一步优化器件性能，探索新的材料和结构设计，以提高OPLEDs的电驱动效率和稳定性。同时，团队还计划将这一技术应用于其他光电器件中，如光通信、传感器和光学元件制造等领域。这些研究有望推动光电子技术的全面进步，为未来的信息技术、能源和健康等领域带来革命性的发展。
此外，通过与国际领先研究机构的持续合作，研究团队将积极推动该技术的商业化进程，力求将实验室的创新成果快速转化为实际应用产品。随着技术的不断成熟和完善，OPLEDs将为高端显示市场注入新的活力，助力实现更丰富、更逼真的视觉体验。
De, J., Zhao, R., Yin, F. et al. Organic polaritonic light-emitting diodes with high luminance and color purity toward laser displays. Light Sci Appl 13, 191 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01531-0
