摘要：有机发光电子器件（OLETs）在显示、光通信和智能传感等领域有着广泛应用，但要实现高色彩纯度和能效，窄光谱发光仍然是一个挑战。虽然多共振热激延迟荧光材料能提升OLED的发光精度，但要达到小于20nm的窄发光仍需努力。Fabry-Pérot腔体被用来获得约30n
有机发光电子器件（OLETs）在显示、光通信和智能传感等领域有着广泛应用，但要实现高色彩纯度和能效，窄光谱发光仍然是一个挑战。虽然多共振热激延迟荧光材料能提升OLED的发光精度，但要达到小于20nm的窄发光仍需努力。Fabry-Pérot腔体被用来获得约30nm的窄发光，但实现更小的发光宽度仍面临困难。有机发光晶体管结合了有机场效应晶体管和OLED的优点，能简化电路设计并降低功耗，但其外部量子效率仍较低，发光宽度也较大，限制了其在高质量显示和数据通信中的应用。因此，急需开发能够在提高效率的同时，实现窄发光和良好开关比的OLETs，以推动其在各领域的应用。
在这项研究中，天津大学胡文平教授团队联合中科院化学所董焕丽研究员展示了具有内在多阶微腔的横向集成有机发光晶体管，这种设计能够提高效率并使发光窄化，且适用于不同的发光材料。作者成功实现了红色、绿色和蓝色的半峰宽分别为18nm、14nm和13nm，最窄发光度达到68%。这使得色域达到了令人印象深刻的BT.2020色域的97%。红色、绿色和蓝色有机发光晶体管的峰值电流效率分别为26.3 cd A−1、37.3 cd A−1和72.6。此外，由于其独特的栅极调控能力，有机发光晶体管的发光更窄且效率更高，超越了同类设备。本研究为具有高色纯度和增强效率的智能显示技术提供了可能。相关成果以“Organic light-emitting transistors with high efficiency and narrow emission originating from intrinsic multiple-order microcavities”为题发表在《Nature Materials》上，第一作者为Zhagen Miao，Can Gao, Molin Shen为共同一作。值得一提的是，这是2025年胡文平教授和董焕丽研究员继《Nature Photonics》后的又一大子刊。
制造具有窄发射的 OLET
本文展示了一种新型的有机发光晶体管设备，采用横向集成配置，结合了OLED和有机场效应晶体管的功能。该设备通过内建的多阶微腔，能够实现窄光谱发光和高效能（图1b）。微腔中的光子经过多次振荡，选择性地过滤出特定频率的光子，从设备顶部发射，达到了高效能和窄发射的效果。此外，OLET具有稳定的均匀发光区域、大孔径比和优秀的栅极调节能力（图1c）。通过精确调节活性层的厚度，作者成功制造出了红、绿、蓝三色的OLET，分别实现了18和19nm的红色、14和16nm的绿色、13和23nm的蓝色FWHM，达到了97%的BT.2020色域。红色和绿色OLET的电流效率分别为26.3 cd/A和37.3 cd/A，而蓝色OLET的蓝色指数值为72.6，具备极佳的栅极调节能力（开关比为105）和低于3.5V的开机电压。通过使用全反射的银镜面和半透明的Yb/Mg–Ag合金电极，作者成功实现了不同发射器的窄光谱发射效果（图1d），并为OLET在高效显示和光通信等领域的应用开辟了新的可能。图1：制造窄发射OLETs
窄发射 OLET 的器件性能
作者展示了不同厚度HTL（载流子传输层）对蓝色、绿色和红色OLET特性的影响（图2）。实验结果显示，所有的OLET在扫描栅极电压Vg从0到-25V时几乎没有滞后现象，说明通道层缺陷少，获得了均匀的亮度（图2a、d、g）。C-PVA/CYTOP介电层有效减少了泄漏电流（Ig），确保OLET设备正常工作。栅极调节能力优秀，开关电流与关断电流的比值达到Ion/Ioff > 105，且具有良好的饱和特性，适合快速切换显示状态。此外，OLET的电气和光学调制特性也表现出色，光强和电流衰减最小。经过优化，蓝色、绿色和红色OLET的开机电压分别为5V、3.5V和4.5V，并实现了高效率和高亮度（图2c、f、i）。图2：窄发射红色，绿色和蓝色OLET的电气和光学性能
在这项研究中，作者展示了通过调节OLET设备中HTL厚度来改变相应的微腔长度及光谱特性（图3a–c）。特别地，红色、绿色和蓝色OLET的电致发光在HTL厚度增加时表现出红移现象。通过精确调节HTL的厚度，作者成功地实现了非常窄的光谱发射，蓝色、绿色和红色OLET的FWHM值分别为13、14和18nm，相较于溶液中测得的PL光谱，分别减少了57%、42%和41%。为了验证这种独特OLET设备架构在光谱狭窄方面的普适性，作者还使用了其他四种蓝绿红发射体制造OLETs，得到了稳定的光谱特性和出色的光电调制能力。通过微腔效应，OLET设备的效率显著提升，光谱变窄，电致发光的强度增强。此外，通过对比实验和模拟，作者进一步证明了银（Ag）镜面与底部电极反射率的不同对发光光谱和强度的影响，结果显示，Ag-OLET相比Si-OLET展现了更强的微腔效应，提升了电致发光的强度和发射效率。
图3：OLET的多阶微腔特征
高效率和窄发射的门调节
为了展示OLET配置在光谱变窄和效率提升方面的优势，作者将OLET与三种设备进行了对比。设备1是平面两端设备，无法进行栅极调节；设备2采用薄HTL的顶部发光OLED；设备3则通过引入厚HTL构建了类似微腔。实验结果显示，OLET在栅极偏置下实现了高效电荷注入和复合，带来较窄的发光和高效率。设备2的光谱较宽，而设备3通过优化光腔设计，实现了光谱的收窄，但增加HTL厚度会导致电荷注入障碍增大，效率下降。最终，OLET设备实现了97%的BT.2020色域，明显优于其他设备。结果表明，OLET架构具备理想的微腔效应，能够有效提升发光质量和效率，展示了其在高质量显示技术中的巨大潜力（图4）。
图 4：OLET 和类似设备的性能
展望
本文展示了一种可行的策略，通过在固有的多阶微腔中实现三端发光OLET设备，同时达到发光窄化和效率提升，且保持稳定的发光形式，并兼容现有制造技术。红色、绿色和蓝色的FWHM值分别接近18 nm、14 nm和13 nm，发光窄化度最大超过60%。相应地，设备实现了97%的BT.2020色域，红、绿、蓝OLET的CE/BI值分别为26.3 cd A−1、37.3 cd A−1和72.6，显示出比其他设备更好的发光窄化和更高的效率。该OLET设备具有高度适应性，适用于任何具有高色纯度的发光体，通过进一步优化设备架构和增强栅极调节下的电流密度，可应用于多功能集成光电器件和电路。此研究为高效OLET设备的创新应用带来了新的可能，尤其在新型窄色域、高质量显示、固有可拉伸显示技术、医疗治疗等领域具有广阔前景。
来源：高分子科学前沿一点号1