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基于OLED的激光二极管-有机激光器的雏形?

    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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 得益于一种显著降低功效损失的理论,科学家们现在朝着实现有机激光器又近了一步。

  有机发光二极管(OLED),一般由碳材料制备而成,被业界视作拥有变革显示技术的潜能。例如OLED的发光效率高、能耗低、柔软,而且无需像LCD显示器那样需要使用荧光灯泡或者发光二极管作为背光源。现在,APL上报道了OLED的一个更重要的成果:来自加州和日本的一个研究团队的基于OLED的激光二极管技术获得了重大突破。

  研究人员介绍,这项成果的关键在于纳米尺度下限制电价转移以及复合,据此可以在电流密度滚降下延长电致发光效能。新技术通过限制变热以及防止电价结合来实现这一功能。

  Kyushu大学的Chihaya Adachi,也是文章的联合作者认为,抑制滚降一个重要的效果是高明度下设备的效率增加,这样可以在相同的亮度下能量更低。

  加州大学圣塔芭芭拉分校的Nguyen Thuc-Quyen介绍,“研究有机半导体以制作出电子驱动有机激光器,科学家们已奋斗多年。激光在极端情况下运行,它的电流比普通显示和发光情况要高很多。而在大电流情况下,能量丧失过程变得更强并让激发变困难。我们的这个工作看可以降低衰减过程,是实现有机激光器路上的一步。

  Adachi用乘坐地铁来解释了OLED的工作原理和他们的工作。

  简单来说,有机半导体可以看做一个地铁,在每个位置上有一些乘客。位置代表着分子,而人们代表着带点粒子,比如电子。当乘客从一个车站上了地铁,带有额外的能量,并希望到空的地方坐下来。

  当人们上了地铁,一些座位上的乘客站起身并走出地铁,留下了空的座位,供还在站着的乘客乘坐。当站着的乘客坐下来,就达到一个宽松的地方,并释放能量。对于OLED来说,乘客以光能的形式释放能量。

  制备基于Oled的激光器需要高达千安每平方厘米的电流密度。但现在,电流密度受限于温度。

  在高电流密度情况下,明度受限于湮灭过程。试想一下,地铁上大量的人相互碰撞而丢失能量,而不是坐下来释放光能。

  在先前的工作中,Adachi和他的同事们展示了电流密度超过1 kA/cm2 的工作情况,但没有发现激光所必须的条件和亮光。

  在最近的文章中,他们认为功效问题或许可以通过使用电子平印术制造OLED结构而解决。这个设备可以支撑2.8 kA/cm2的电荷注入密度,因而发光效率比之前高100倍。“在我们的结构中,我们有效地限制了地铁中央的出入。人们四散前往两个并未阻塞的出口,降低了碰撞和湮灭。"