科学家们采用电子和频振动生成光谱法来研究有机发光二极管中的电荷传输机制。

可折叠智能手机和超薄电视等高分辨率全彩显示设备依赖于有机发光二极管（OLED）。与其他显示技术相比，OLED具有明显优势，包括柔性、自发光、重量轻、超薄、高对比度和低电压运行。近年来，这些特性使得OLED越来越受欢迎。

有机发光二极管由几层超薄有机薄膜组成，这些薄膜被置于两个电极之间。每一层在器件的运作中都发挥着特定的作用。当施加电压时，电荷会累积并发出光，这通常发生在这些有机层之间的界面处。虽然多层结构可以精确控制电荷累积、电荷传输和光产生，但这些实现有机发光二极管功能的过程也会随着时间的推移使有机层退化。这种退化限制了有机发光二极管器件的使用寿命和效率。

了解这些界面在运行过程中的电子结构表现仍然是一项重大挑战。为了解决这一问题，日本千叶大学的宫前贵之教授与鎌倉大辅先生和森本和則博士一起，采用了一种名为和频振动光谱（SFG）的二阶非线性光谱法。该技术使他们能够研究运行中有机发光二极管（OLED）界面处的振动和电子特性，为理解这些器件在真实条件下的表现提供了新的见解。

当向OLED系统施加电压时，光会通过有机界面处电荷的复合而发出。这会改变和频振动光谱（SFG）的输出，使研究人员能够研究在不同操作条件下，电荷如何累积以及界面处发生的电子结构变化。2025年3月10日，该团队在久负盛名的《材料化学C刊》网络版上发表了这一用于研究OLED内部电荷行为的新型无损光谱技术。

利用电场梯度聚焦光谱学研究电荷行为

在本研究中，使用了三种具有不同类型和有机层组合的多层有机发光二极管（OLED）。对三个OLED器件进行了电子和频振动光谱（ESFG）分析，以研究界面处的电荷行为和电子结构所引起的光谱变化。“我们根据ESFG光谱的施加电压依赖性，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的作用，该差异影响着内部电荷流动的难易程度以及发光特性，”宫前教授解释了团队的研究。

通过比较三种有机发光二极管（OLED）器件的吸收光谱和层配置，确定了与各有机层相对应的电子给体-受体型氟化侧基聚合物（ESFG）光谱带。研究人员观察到，在向OLED器件施加电压时，光谱信号强度会发生变化，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内部的正电荷载体）的吸收带光谱信号强度增加，而发光层的吸收带信号强度降低。这表明OLED内有机层之间的内部电荷流动存在差异，从而导致光谱发生变化。

材料选择对光发射的影响

研究团队还在这些器件上施加了方波脉冲电压，以研究这些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中光的发射位置。发射位置的这种偏移会影响发射光的颜色和形状以及器件将电能转换为光能的效率。

宫前教授在谈到这项创新性的研究工作时指出:“ESFG技术是一种新颖、高效、无损、非侵入的光谱分析方法，可用于检测固态薄膜器件中注入电荷所产生的电场。”

有了这项技术，材料科学家现在就可以设计使用寿命更长、能效更高且成本更低的OLED，最终在日常生活中增加超薄有机器件的使用。“此外，这项研究可以极大地缩短材料开发研究的时间并使研究过程合理化，因为现在的材料开发研究采用试错过程，并且需要长时间的退化验证来评估器件效率和寿命，”宫前教授补充道。

参考文献：Tatsuya Kaburagi、Kazunori Morimoto和Takayuki Miyamae所著《通过电子和频生成光谱探究多层有机发光二极管中的电荷行为》，发表于2025年3月10日，《材料化学C刊》。DOI：10.1039/D4TC04970E

资金来源：日本学术振兴会（JSPS）科学研究费补助金