效率滾降的產生與有機半導體固有特性引起的一些復雜的非線性機制有關。通常而言，傳統有機光電器件的電學特性是由縱向電場下的載流子動力學過程決定的。根據連續性方程，在穩態時，空穴傳輸區及電子傳輸區的電流始終處于平衡狀態。然而有機傳輸材料的空穴和電子遷移率之間存在差異，器件中的電流平衡通常由載流子在器件內部的積累(調控電場強度分布)或穿越器件的漏電流來實現(圖1A)。在OLED中，漏電流的存在不僅會產生嚴重的效率損耗，而且也會顯著降低器件的工作壽命。目前報道的高性能OLED利用載流子阻擋層有效地解決了漏電流問題，但不可避免地帶來載流子積累問題。器件內部的載流子積累會產生嚴重的激子-極化子湮滅(如triplet-polaron annihilation，TPA，圖1B)，也將導致器件效率和工作壽命的下降。在材料科學家開發出具有匹配的電子和空穴遷移率的有機半導體材料之前，從器件物理層面探尋新的電流平衡機制，并從實驗上進行驗證，是該領域的科學和技術難題。
圖1：新結構OLED及其橫向擴散層的設計
圖源：吉林大學謝文法教授團隊與香港城市大學李振聲教授團隊
研究亮點
謝文法教授團隊與李振聲教授通過深入合作，提出并成功驗證了一種新型載流子動力學機制(圖1C和1D)，即利用多數載流子的橫向擴散行為實現OLED中的電流平衡。基于該思路，研究團隊通過組分及界面工程(圖1E和1F)在有機半導體薄膜中實現了厘米尺度的空穴橫向擴散行為，并將該薄膜作為橫向擴散層構建了OLED(圖1G)。借鑒電化學領域中的低頻交流阻抗譜技術，研究團隊在實驗上驗證了 PEDOT:PSS薄膜中載流子在橫向方向的傳輸屬于半無限擴散或有界擴散行為。
圖2：PEDOT：PSS薄膜的低頻交流阻抗譜
圖源：吉林大學謝文法教授團隊與香港城市大學李振聲教授團隊
圖3：載流子橫向擴散行為
圖源：吉林大學謝文法教授團隊與香港城市大學李振聲教授團隊
經過組分及界面工程優化后，PEDOT:PSS薄膜的橫向擴散系數可以從＜1.8×10?5cm2/s 提升兩個數量級至~3×10?3cm2/s。這種擴散能力的提升促進了有機薄膜中厘米尺度空穴橫向擴散行為的產生，并有效地增強了器件在垂直于所施加縱向電場方向上的橫向電流，為新型電流平衡機制的建立提供了基礎。
進一步地，研究人員通過建立基于橫向擴散層的OLED的等效電路模型(圖3G-J)，結合器件的光電性能分析，在實驗上驗證了基于橫向擴散電流的新型電流平衡機制，可以有效地解決OLED中所存在的載流子積累(圖3C和3D)及其產生的激子-極化子湮滅問題。
總結與展望
該研究工作的結果表明，在采用新型電流平衡機制的OLED中，載流子積累問題可以得到有效解決，器件發光效率和工作壽命得到了大幅改善。該研究為有機光電器件的結構設計提供了一種全新思路，對推動有機半導體器件在照明領域的產業化發展具有重要意義。
作者：劉士浩(吉林大學電子科學與工程學院副教授、香港城市大學博士后)
