在 8K 超高清顯示、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）/ 虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）前沿科技領(lǐng)域，對(duì)光譜精準(zhǔn)、高效緊湊的電致發(fā)光器件需求正呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。近日，韓國(guó)慶北國(guó)立大學(xué)與韓國(guó)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院（KITECH）的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在《Advanced Functional Materials》期刊上發(fā)表了一項(xiàng)具有里程碑意義的研究成果。該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出雙微腔共振增強(qiáng)珀塞爾效應(yīng)策略，成功研發(fā)出綠色雙微腔頂發(fā)射OLED（G-DMTOLED），將傳統(tǒng)磷光 OLED 的半高全寬（FWHM）從 60 納米大幅壓縮至 21 納米，實(shí)現(xiàn)約 65% 的光譜窄化，色坐標(biāo)精準(zhǔn)逼近 BT.2020 超高清標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)兼具高亮度、低效率滾降與環(huán)境兼容性等優(yōu)勢(shì)，為下一代顯示方案開(kāi)辟了全新路徑。

圖1. G-DMTOLEDs設(shè)計(jì)理念：通過(guò)雙微腔協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)寬光譜綠色磷光發(fā)射體的光譜精準(zhǔn)調(diào)控

行業(yè)痛點(diǎn)凸顯，傳統(tǒng)技術(shù)陷入發(fā)展瓶頸

隨著顯示技術(shù)的快速迭代，發(fā)光器件的光譜精度、亮度、穩(wěn)定性及環(huán)境兼容性已成為制約行業(yè)發(fā)展的核心瓶頸。在高端顯示領(lǐng)域，BT.2020 超高清標(biāo)準(zhǔn)對(duì)色彩還原度提出了嚴(yán)苛要求，尤其是綠色光作為色域覆蓋的關(guān)鍵波段，其純度直接決定了顯示畫(huà)面的真實(shí)感與沉浸感。

然而，現(xiàn)有發(fā)光技術(shù)長(zhǎng)期面臨難以調(diào)和的矛盾：無(wú)機(jī)半導(dǎo)體發(fā)光器件雖能實(shí)現(xiàn)銳化發(fā)射，但其剛性結(jié)構(gòu)、環(huán)境兼容性差及體積龐大等缺陷，無(wú)法滿足柔性化、集成化的應(yīng)用需求；有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）憑借自發(fā)光、柔性兼容、高效率等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、電視等商用顯示產(chǎn)品，但傳統(tǒng)有機(jī)發(fā)光材料受激子 - 振動(dòng)耦合與結(jié)構(gòu)弛豫的固有特性影響，發(fā)射光譜寬（FWHM 通常大于 50 納米），顏色純度不足，難以達(dá)到高端顯示方案的窄帶發(fā)射要求。

為突破這一技術(shù)桎梏，科研界曾嘗試多種解決方案，但均存在明顯短板：光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)通過(guò)光的干涉效應(yīng)可提升光譜精度，卻需復(fù)雜的反射器設(shè)計(jì)，且光學(xué)與電學(xué)性能難以同時(shí)優(yōu)化，導(dǎo)致器件效率與穩(wěn)定性下降；量子點(diǎn)與金屬鹵化物鈣鈦礦材料雖能實(shí)現(xiàn)窄帶發(fā)射（FWHM<25 納米），但含有鎘、鉛等有毒重金屬，存在嚴(yán)重的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)與生物安全隱患，限制了其在消費(fèi)電子等領(lǐng)域的應(yīng)用；有機(jī)多共振熱激活延遲熒光（MR-TADF）材料作為無(wú)毒替代方案，雖在窄帶發(fā)射方面展現(xiàn)出潛力（FWHM<25 納米），卻面臨波長(zhǎng)精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)困難、高亮度下效率滾降嚴(yán)重等問(wèn)題，始終無(wú)法滿足 BT.2020 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)綠色光的嚴(yán)苛要求。在此背景下，開(kāi)發(fā)一種不依賴新型發(fā)光材料、兼顧光譜精度與實(shí)用性的器件架構(gòu)，成為全球科研團(tuán)隊(duì)與產(chǎn)業(yè)界共同攻關(guān)的核心課題。

圖2. a）為器件結(jié)構(gòu)示意圖；b）為腔體增益的三維分布圖；c）為 OLED 腔體增益隨 NPB 層厚度與 TPBi 層厚度的變化曲線；d）為附加腔體結(jié)構(gòu)示意圖；e）為法布里 - 珀羅因子的三維切片圖，f）為 G-DMTOLEDs 中CAV2 的法布里 - 珀羅因子隨CAV1波長(zhǎng)與 TCTA 層厚度的變化曲線；g）為完整 G-DMTOLEDs 器件的結(jié)構(gòu)示意圖；h）為雙腔總增益的三維切片圖

；i）為器件雙腔總增益隨CAV1波長(zhǎng)與TCTA 層厚度的變化曲線

雙微腔架構(gòu)創(chuàng)新，三重核心機(jī)制實(shí)現(xiàn)突破

針對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)的痛點(diǎn)，韓國(guó)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)跳出“材料創(chuàng)新” 的固有思維，轉(zhuǎn)而從器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手，提出 “雙微腔共振增強(qiáng)珀塞爾效應(yīng)” 的全新策略。通過(guò)在單微腔頂發(fā)射 OLED（G-SMTOLED）上方引入次級(jí)光學(xué)腔（CAV2），構(gòu)建 “底層發(fā)光微腔 + 上層調(diào)控微腔” 的嵌套結(jié)構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)光學(xué)與電學(xué)設(shè)計(jì)的分離優(yōu)化，從根本上解決了光譜窄化與器件性能之間的矛盾，其核心創(chuàng)新體現(xiàn)在三個(gè)維度。

器件結(jié)構(gòu)：雙層微腔設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立調(diào)控

G-DMTOLED 的核心突破在于其精巧的雙層微腔嵌套結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)性能與電學(xué)性能的解耦調(diào)控。底層微腔（CAV1）作為基礎(chǔ)發(fā)光單元，由高反射率鋁陽(yáng)極（100 納米）、半透明鋰氟 / 鋁 / 銀陰極（1/1/15 納米）及中間的有機(jī) - 無(wú)機(jī)多層薄膜組成，具體包括空穴注入層（MoO?，5 納米）、空穴傳輸層（NPB）、電子阻擋層（TCTA，15 納米）、發(fā)光層（CBP:Ir (mppy)?，30 納米）和電子傳輸層（TPBi）。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)精確調(diào)節(jié)空穴傳輸層（NPB）和電子傳輸層（TPBi）的厚度，使 CAV1 在保證優(yōu)異電學(xué)傳輸特性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn) 450-550 納米范圍內(nèi)的一階模式共振，為后續(xù)光譜調(diào)控奠定基礎(chǔ)。上層微腔（CAV2）作為專門(mén)的光譜調(diào)控單元，由 TCTA 層與頂部銀反射器構(gòu)成，沉積于 CAV1 之上，無(wú)需改變 OLED 核心發(fā)光結(jié)構(gòu)。這種分層設(shè)計(jì)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于，光學(xué)性能優(yōu)化與電學(xué)性能設(shè)計(jì)互不干擾 —— 通過(guò)獨(dú)立調(diào)節(jié) CAV2 的 TCTA 層厚度（d_TCTA）和頂部銀層厚度（d_Top Ag），即可精準(zhǔn)調(diào)控共振條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射光譜的精細(xì)調(diào)諧。實(shí)驗(yàn)證明，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅簡(jiǎn)化了器件制備流程，更大幅提升了光譜調(diào)控的靈活性與精準(zhǔn)度，徹底解決了傳統(tǒng)單微腔器件中光學(xué)與電學(xué)難以兼顧的核心矛盾。

圖3. G-DMTOLEDs的人工可調(diào)色度特性：a) 基于 CAV2 與 15 nm 頂銀層（dTop Ag）的 OLED 電致發(fā)光（EL）強(qiáng)度計(jì)算；b) EL 峰值波長(zhǎng)的偏移規(guī)律；c) CIE 1931 色坐標(biāo)分布；d) 固定腔模波長(zhǎng)下的 EL 強(qiáng)度特性；e) EL 光譜帶寬的調(diào)控規(guī)律；f) 光譜帶寬調(diào)控對(duì)應(yīng)的色坐標(biāo)變化

核心機(jī)制：珀塞爾效應(yīng)強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)窄帶發(fā)射

雙微腔結(jié)構(gòu)的另一大突破在于顯著增強(qiáng)了珀塞爾效應(yīng)。在微腔系統(tǒng)中，激子與腔模的耦合會(huì)加速自發(fā)發(fā)射速率，這一現(xiàn)象被稱為珀塞爾效應(yīng)，是實(shí)現(xiàn)窄帶發(fā)射的關(guān)鍵物理機(jī)制。在 G-DMTOLED 中，CAV1 與 CAV2 形成的雙重共振場(chǎng)，使激子與腔模的相互作用大幅增強(qiáng)，自發(fā)發(fā)射速率顯著提升，進(jìn)而帶來(lái)三重關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：

一是通過(guò)選擇性增強(qiáng)共振波長(zhǎng)、抑制非共振模式，實(shí)現(xiàn)光譜的大幅窄化。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)磷光發(fā)射體的 FWHM 為 60 納米，而 G-DMTOLED 的 FWHM 僅為 21 納米，光譜窄化幅度達(dá)到 65%，成為目前綠色 OLED 領(lǐng)域最窄的發(fā)射帶寬之一；

二是有效抑制高亮度下的三線態(tài) - 三線態(tài)湮滅和三線態(tài) - 極化子湮滅，顯著改善器件的效率滾降問(wèn)題。在 5×104cd/m2的高亮度條件下，G-DMTOLED 的外量子效率（EQE）仍維持在 7.2%，表現(xiàn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng) MR-TADF 器件；

三是誘導(dǎo)發(fā)射光的定向傳播，使器件呈現(xiàn)強(qiáng)方向性，為顯示器件的視角控制與光提取效率提升提供了新路徑，尤其適用于 AR/VR 近眼顯示等對(duì)視角有特殊要求的場(chǎng)景。

調(diào)控靈活性：多維度參數(shù)實(shí)現(xiàn)寬范圍精準(zhǔn)調(diào)諧

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)傳輸矩陣計(jì)算與有限差分時(shí)域（FDTD）模擬，系統(tǒng)驗(yàn)證了雙微腔結(jié)構(gòu)的靈活調(diào)控能力。在 CAV1 的共振波長(zhǎng)固定為 550 納米時(shí)，僅調(diào)節(jié) CAV2 的 TCTA 層厚度，即可實(shí)現(xiàn) 493-561 納米范圍內(nèi)的共振波長(zhǎng)移動(dòng)，完全覆蓋綠色光波段；若固定 TCTA 層厚度為 150 納米，隨著 CAV1 共振波長(zhǎng)從 450 納米增至 550 納米，雙微腔共振峰可從 462 納米紅移至 535 納米，實(shí)現(xiàn)全波段的精準(zhǔn)匹配。

此外，調(diào)節(jié)頂部銀層厚度可進(jìn)一步優(yōu)化光譜特性。當(dāng) d_Top Ag 從 15 納米增至 55 納米時(shí)，EL 光譜的 FWHM 持續(xù)窄化，最窄可達(dá) 13.6 納米，對(duì)應(yīng)的 CIE 1931 色坐標(biāo)從（0.212, 0.707）偏移至（0.126, 0.777），顏色純度大幅提升。這種多維度的調(diào)控方式，使器件能夠根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求，精準(zhǔn)匹配目標(biāo)波長(zhǎng)，為全色系超純發(fā)射器件的開(kāi)發(fā)提供了通用方案，具備極強(qiáng)的技術(shù)擴(kuò)展性。

圖4. 綠色單微腔頂發(fā)射 OLED 與綠色雙微腔頂發(fā)射 OLED 的性能對(duì)比：a) 器件結(jié)構(gòu)示意圖；b) 電致發(fā)光光譜對(duì)比；c) 峰值波長(zhǎng)與半高全寬的變化規(guī)律；d) CIE 1931 色坐標(biāo)與色域構(gòu)建；e - f) 基于 BT.2020 標(biāo)準(zhǔn)的綠色色域表征

性能指標(biāo)全面領(lǐng)先，應(yīng)用場(chǎng)景持續(xù)拓展

實(shí)驗(yàn)制備的 G-DMTOLED 器件在光譜特性、光電性能與兼容性方面均展現(xiàn)出行業(yè)領(lǐng)先水平，為其在多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

光譜與色彩性能：精準(zhǔn)逼近 BT.2020 標(biāo)準(zhǔn)

G-DMTOLED 的核心突破在于其超窄帶發(fā)射特性與超高顏色純度。器件的峰值發(fā)射波長(zhǎng)為 518 納米，F(xiàn)WHM 僅 21 納米，較原始發(fā)光材料實(shí)現(xiàn)約 65%的光譜窄化。對(duì)應(yīng)的 CIE 1931 色坐標(biāo)為（0.163, 0.732），BT.2020 色域覆蓋率高達(dá) 95.2%，遠(yuǎn)超 NTSC 標(biāo)準(zhǔn)（CIE y=0.73），距離 BT.2020 綠色標(biāo)準(zhǔn)（0.170, 0.797）僅一步之遙。

當(dāng)進(jìn)一步優(yōu)化頂部銀層厚度至 60 納米時(shí)，器件的 FWHM 可壓縮至 15 納米以下，色坐標(biāo)達(dá)到（0.127, 0.784），幾乎完全匹配 BT.2020 標(biāo)準(zhǔn)要求。這一成果解決了長(zhǎng)期困擾行業(yè)的綠色光純度不足問(wèn)題，為超高清顯示技術(shù)的色彩還原提供了關(guān)鍵支撐，有望推動(dòng) 8K 超高清顯示、AR/VR 近眼顯示等領(lǐng)域的畫(huà)質(zhì)實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

光電性能：高亮度與低滾降兼?zhèn)?/strong>

在保持超窄帶發(fā)射的同時(shí)，G-DMTOLED 展現(xiàn)出優(yōu)異的光電綜合性能。器件的最大亮度達(dá)到 1.241×105cd/m2，遠(yuǎn)超戶外顯示（>104 cd/m2）與 AR/VR 近眼顯示的亮度需求，即使在強(qiáng)光環(huán)境下也能保證清晰的顯示效果；峰值外量子效率（EQE）為 10.3%，電流效率 34.6 cd/A，功率效率 19.3 lm/W，在窄帶發(fā)射器件中處于領(lǐng)先水平。

更重要的是，器件在高亮度下仍保持穩(wěn)定性能。傳統(tǒng) OLED 器件在高亮度下容易出現(xiàn)效率大幅下降的 “滾降” 現(xiàn)象，而 G-DMTOLED 得益于增強(qiáng)的珀塞爾效應(yīng)，有效抑制了非輻射復(fù)合過(guò)程，在 5×104 cd/m2的高亮度條件下，EQE 仍維持在 7.2%，效率滾降得到顯著抑制。與單微腔器件（G-SMTOLED）相比，G-DMTOLED 在相同光譜寬度下的光提取效率提升約 5 個(gè)百分點(diǎn)，當(dāng) FWHM 均為 20 納米左右時(shí)，雙微腔器件的外耦合效率達(dá)到 33.9%，而單微腔器件僅為 28.6%，充分體現(xiàn)了雙微腔架構(gòu)的性能優(yōu)勢(shì)。

圖5. 制備 OLED 器件的光電特性表征：a) G-DMTOLED 的橫截面 SEM 圖像；b) G-DMTOLED 的能級(jí)圖；c) 電流密度 - 電壓 - 亮度（J-V-L）特性；d) 最大亮度下的 EL 光譜對(duì)比；e) 效率隨亮度的變化曲線；f) CIE 1931 色坐標(biāo)與發(fā)光實(shí)拍圖

兼容性與擴(kuò)展性：多體系適配潛力巨大

該雙微腔架構(gòu)具有極強(qiáng)的兼容性與擴(kuò)展性，為其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了廣闊空間。研究表明，該策略不僅適用于磷光 OLED，還可與 MR-TADF 材料、量子點(diǎn)、極化子器件及周期性光子結(jié)構(gòu)結(jié)合，有望進(jìn)一步提升器件效率與光譜性能。通過(guò)與下一代非毒性有機(jī)發(fā)光材料搭配，可實(shí)現(xiàn)效率與環(huán)保性的雙重提升，符合全球電子產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展的趨勢(shì)。

此外，該架構(gòu)可輕松拓展至紅、藍(lán)等其他波段。通過(guò)調(diào)節(jié)雙微腔的共振條件，可實(shí)現(xiàn)全可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)的超窄帶發(fā)射，為構(gòu)建覆蓋 BT.2020 全色域的顯示面板提供了統(tǒng)一解決方案。器件采用的有機(jī)材料無(wú)重金屬污染，制備過(guò)程兼容現(xiàn)有熱蒸發(fā)工藝，無(wú)需額外引入復(fù)雜設(shè)備，大幅降低了產(chǎn)業(yè)化門(mén)檻，具備快速實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的潛力。

技術(shù)對(duì)比彰顯優(yōu)勢(shì)，行業(yè)影響深遠(yuǎn)

為凸顯雙微腔技術(shù)的創(chuàng)新性與優(yōu)越性，研究團(tuán)隊(duì)將 G-DMTOLED 與現(xiàn)有主流技術(shù)進(jìn)行了全面對(duì)比。與量子點(diǎn)和金屬鹵化物鈣鈦礦器件相比，G-DMTOLED 不含重金屬，環(huán)境兼容性更佳，且不存在材料穩(wěn)定性問(wèn)題；與 MR-TADF 器件相比，G-DMTOLED 無(wú)需復(fù)雜的分子設(shè)計(jì)，即可實(shí)現(xiàn)更窄的光譜寬度與更精準(zhǔn)的波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn)，同時(shí)解決了高亮度下效率滾降的痛點(diǎn)；與傳統(tǒng)單微腔器件相比，G-DMTOLED 在光譜窄化幅度、調(diào)控靈活性與光提取效率方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)，尤其在相同光譜寬度下，雙微腔器件的效率更高，更適合高端應(yīng)用場(chǎng)景。

圖6. 本研究開(kāi)發(fā)器件與已報(bào)道的磷光和熱活化延遲熒光發(fā)光層基綠色 OLED 器件的性能對(duì)比：a) 已報(bào)道器件的半高全寬匯總；b) 最大亮度與 CIEy 坐標(biāo)的關(guān)聯(lián)特性；c) G - DMTOLED 的 BT.2020 色域構(gòu)建；d) 頂銀層厚度對(duì)色坐標(biāo)的影響

在與已報(bào)道的綠色 OLED 器件對(duì)比中，G-DMTOLED 的 FWHM（21 納米）窄于多數(shù)先進(jìn) MR-TADF 器件（FWHM<25 納米），色坐標(biāo)更接近 BT.2020 標(biāo)準(zhǔn)，最大亮度達(dá)到 1.241×105 cd/m2，綜合性能處于行業(yè)領(lǐng)先水平。這一成果不僅打破了“窄帶發(fā)射必須依賴新型發(fā)光材料” 的傳統(tǒng)認(rèn)知，更為有機(jī)電子器件的高性能化提供了 “結(jié)構(gòu)創(chuàng)新替代材料創(chuàng)新” 的全新范式。

在顯示領(lǐng)域，超窄帶發(fā)射特性與高色域覆蓋能力，將推動(dòng) 8K 超高清顯示、AR/VR 近眼顯示、柔性顯示等技術(shù)的畫(huà)質(zhì)升級(jí)。未來(lái)搭載該技術(shù)的顯示產(chǎn)品，將實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的色彩還原、更高的對(duì)比度與更清晰的細(xì)節(jié)表現(xiàn)，為用戶帶來(lái)沉浸式視覺(jué)體驗(yàn)，加速超高清顯示產(chǎn)業(yè)的普及。研究團(tuán)隊(duì)表示，未來(lái)將重點(diǎn)推進(jìn)兩大方向的研究：一是通過(guò)引入水平取向偶極子發(fā)光材料與光提取增強(qiáng)技術(shù)，進(jìn)一步提升器件的量子效率，目標(biāo)將EQE 提升至 15% 以上；二是拓展雙微腔架構(gòu)在近紅外波段的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)適用于生物成像、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的新型發(fā)光器件。

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