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基于OLED的激光二极管取得突破性进展


    由含碳材料制成的有机发光二极管(OLED)有望在未来带来显示器的技术革命,比如用它们制造出可折叠或者包裹在其他结构上的超薄低耗能显示器。
  传统的液晶显示器需要用到荧光灯或者传统的发光二极管(LED)提供背景光源,而OLED则不需要背光照明。一个更大的科技突破是基于OLED的激光二极管,科学家们一直梦想制造有机激光器,但却被有机材料的一些特性所限制而尚未实现,比如有机材料通常不能有效地在产生激光所需的高电流条件下工作。
  近日,来自美国加州和日本的研究团队的最新研究表明采用精细模式结构的OLED可制出明亮,低耗能的光源,这一发现使科学家们向有机激光器迈出了关键的一步,该研究成果本周被作为封面亮点发表在由美国物理联合会出版的《应用物理快报》上。
  研究人员表明,这项成果的关键之处在于将电荷传输和重组限制在纳米量级区域,从而使电致发光效率滚降延伸到OLED效率急剧降低的电流密度之外--大约近两个数量级。新的器件结构通过抑制发热和防止电荷重组来实现这一点。
  “抑制滚降的重要作用是提高器件在高亮度时的效率,”该文章的作者之一,日本九州大学(Kyushu University)的Chihaya Adachi说。“其结果是让器件在低耗能的状态下获得同样高的亮度。”
  “多年来,致力于有机半导体的科学家们一直梦想着能够制造出电动有机激光器,”文章另一位作者,美国加州大学圣芭芭拉分校的Thuc-QuyenNguyen说。“激光在极端条件下工作,其电流显著地高于普通显示器和照明设备中的电流。在高电流的条件下,能耗过程更加显著,导致发射激光变得困难。”
  “我们认为这项降低能耗过程的研究,向实现有机激光器迈进了一步。”Nguyen补充说。
  OLED是如何工作的
  OLED的工作原理是基于通过电子和空穴的相互作用。“举个形象的例子,”Adachi说,“你可以把有机半导体想象成一列坐满了乘客的地铁。其中座位代表分子,而乘客代表高能粒子,也就是电子。当人们从地铁的一端上车时,他们携有附加的能量,并想要找个位置坐下来放松。与此同时,另一些乘客起身离座从地铁的另一端下车,空出了一些位置或者叫做“空穴”可由站着的乘客填补。当站着的乘客坐下来放松时,他们会释放原本携带的能量。对于OLED来说,也就是释放出了光能。”
  制造基于OLED的激光器需要高达每平方厘米几千安培(kA/cm2)的电流密度,但直到今天,电流密度依然被热作用所限制。“在高电流密度的条件下,亮度受制于湮灭过程,”Adachi说。“你可以想象一下,这就好比地铁上的乘客大量地彼此碰撞而失去能量,而不是坐下来释放光能。”
  在之前的工作中,Adachi和他的合作者展示了OLED在电流密度超过每平方厘米一安培(1kA/cm2)时的性能,但没达到激光和明亮照明所需的效率。在这次的文章中,他们表明效率问题可以通过用电子束光刻制作出精细模式的OLED结构来解决。微小的器件面积可支持2.8kA/cm2的电荷注入密度,同时维持比以前高100倍的发光效率。“在我们的器件结构中,我们有效地将出入口限制在地铁的中部。这样,乘客可以向不太拥挤的地铁两端扩散,由此减少了彼此的碰撞和湮灭。”
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