导读
有机发光二极管（Organic light-emitting diodes, OLEDs）显示以其轻薄、柔性、低功耗和低成本等优势，经过多年的发展已成为主流显示技术之一。在OLED多层结构中，电荷传输层作为器件的关键功能层，对器件性能起着至关重要的作用。然而，目前采用传统工艺制备的非晶态电荷传输层存在载流子迁移率低、缺陷态密度高，以及表面形貌粗糙等诸多缺陷，严重制约了OLED器件的效率和稳定性。
有机半导体单晶薄膜因其内部分子规则排布、杂质和缺陷含量低，并且可通过合理的分子结构设计调控有机单晶内分子堆积模式，获得远高于非晶态薄膜的迁移率和稳定性，同时兼具超平滑的表面形貌和致密的分子堆积等特性，使其成为极具应用潜力的电荷传输层材料。
近日，吉林大学丁然教授、冯晶教授团队提出利用有机单晶替代传统非晶态薄膜，作为器件传输层，得益于单晶良好的电荷输运能力和改善的功能层界面性质，有效提升了OLED器件的效率和稳定性。该研究成果以“Single-crystalline hole-transporting layers for efficient and stable organic light-emitting devices”为题，发表于《Light：Science & Applications》。
研究背景
随着信息技术的蓬勃发展，信息显示终端成为人类与数字世界之间的主要交互界面。有机发光二极管（Organic light-emitting diodes, OLEDs）显示以其轻薄、柔性、低功耗和低成本等优势，经过几十年的发展已成功实现商用和产业化，成为主流显示技术之一。在OLED多层结构中，电荷传输层作为器件的关键功能层，其载流子迁移率等性质对器件的性能起着至关重要的作用。基于传统蒸镀或溶液工艺制备的电荷传输层通常为非晶态，内部分子排列无序，缺陷态密度高，载流子迁移率低（10-6～10-3 cm2 V−1 s−1）。因此，在非晶态OLED器件中为了保证良好的载流子注入和传输，需要将电荷传输层的厚度精确控制在十几到几十纳米范围内，不利于工业化生产。超薄的电荷传输层难以保证厚度的高均匀性，在较高电流密度下，容易形成漏电导致器件短路；同时，非晶态薄膜表面形貌粗糙，导致与电极之间接触不良，极易造成电极脱附，或形成孔洞和缝隙，以上均不利于器件的长期稳定性。因此，开发高载流子迁移率且表面形貌光滑的电荷传输层，对于提高OLED器件的效率和稳定性具有重要意义。
相比于非晶态材料，有机半导体单晶（Organic single-crystalline semiconductors, OSCs）具有分子规则排布、杂质和缺陷含量低等特点。通过设计和调控有机单晶内分子结构与分子堆积模式，可获得远高于非晶态薄膜的载流子迁移率和热稳定性。例如，目前报道的红荧烯单晶载流子迁移率可达43 cm2 V−1 s−1，比非晶态薄膜高出几个数量级。同时，有机单晶兼具超平滑的表面形貌和致密的分子堆积特性，不仅有利于减少器件界面焦耳热电阻，而且能够在器件内形成水氧阻挡层，抑制水氧对器件内部功能层的侵蚀。以上诸多优点使有机单晶成为极具应用潜力的电荷传输层材料。然而，受单晶器件制备工艺技术的限制，单晶电荷传输层在OLED器件中的应用一直没有得到充分发展。
图1 BSB-Me单晶分子排列及表面形貌
创新研究
本研究基于团队在单晶OLED器件制备方面的前期基础，通过改进模板剥离法制备工艺，提出利用高空穴迁移率的p型BSB-Me单晶薄膜作为器件空穴传输层（图1），制备高效和稳定的单晶OLED器件（Single-crystal OLED, SC-OLED）。经过系统分析，揭示了气相法生长的BSB-Me单晶薄膜具有高的结晶质量、超平滑的表面形貌和理想的电荷传输性能。BSB-Me单晶薄膜沿晶面垂直方向的空穴迁移率可达0.2 cm2 V−1 s−1，远高于多晶态BSB-Me和传统非晶态NPB薄膜(~10−3 ~10−4 cm2 V−1 s−1)。由于BSB-Me单晶的原子级超平滑表面，与单晶传输层接触的两侧功能层界面性质都得到了显著提升。在单晶/电极界面，超平滑单晶表面沉积的超薄金属电极薄膜获得了高品质因子和低粗糙度，有效改善了层间接触，避免电极脱附；在单晶/发光层界面，超平滑单晶与发光层之间具有更强的层间相互作用力，改善了载流子层间注入和传输，降低了器件界面接触电阻和焦耳热的产生。
图2、BSB-Me单晶空穴传输层器件结构及电致发光照片
得益于BSB-Me单晶空穴传输层更好的电荷输运能力和改善的层间界面，与多晶态BSB-Me和非晶态NPB空穴传输层器件相比，单晶OLED器件实现了更高的器件亮度、电流效率，以及外量子效率（External quantum efficiency, EQE），EQE最高可达12.64%，是目前已知单晶OLED的最高值。同时，单晶空穴传输层适配于各种发光层材料体系，包括磷光和TADF等发光层材料，验证了单晶传输层策略具有普适性，如图2所示。
图3、BSB-Me单晶和非晶态NPB空穴传输层器件结构示意图。
结构致密的BSB-Me单晶传输层作为器件内部的水氧阻挡层，有效改善了器件的稳定性，如图3所示。与非晶态NPB空穴传输层器件相比，未封装的BSB-Me单晶传输层OLED，器件寿命从266小时提高到550小时。
应用与展望
本研究工作拓宽了有机半导体单晶在光电子器件领域的应用，利用有机单晶高载流子迁移率特性，以及超平滑、致密等形貌和结构特点，作为器件电荷传输层，为同时实现高效率和长寿命OLED器件提供了新的思路和可行的方案。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01484-4
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