双微腔有机发光二极管实现Purcell增强的光谱精确发射：面向高清显示与集成光子学的新策略

本综述提出了一种创新的双微腔（Dual-Microcavity）结构，通过在传统OLED顶部引入次级光学腔（CAV2），实现了Purcell效应增强的光谱精确发射。该设计成功将磷光OLED的发射半高宽（FWHM）从60 nm压缩至21 nm，色坐标逼近BT.2020标准，同时兼具高亮度（1.241×105 cd m?2）、强方向性和低效率滚降特性，为高清显示和集成光子器件提供了通用性强、兼容性高的解决方案。

　　

1 引言

开发具有光谱精确性的紧凑电致发光（EL）器件对全息成像、光谱分析、集成光子学和先进显示等新兴光子技术至关重要。尽管近年来发光材料的发展已实现半高宽（FWHM）低至25 nm的窄带发射，但其实际应用仍受稳定性、制备复杂性和环境兼容性限制。光学微腔可通过高品质因子提高光谱精度，但需要复杂的反射器结构并需同时优化光学和电学性能。本文提出一种通用策略，通过双微腔共振增强Purcell效应，实现宽带有机发光二极管（OLED）的光谱精确发射。

2.1 G-DMTOLEDs的光谱精确发射设计

研究团队基于高效磷光G-SMTOLEDs开发了G-DMTOLEDs。器件结构包括铝（Al）阳极和多层阴极（LiF/Al/Ag），中间插入MoO₃空穴注入层、NPB空穴传输层、TCTA电子阻挡层、CBP:Ir(mppy)₃发光层和TPBi电子传输层。顶部增设TCTA层作为CAV2和Ag顶反射层，形成双微腔结构。该设计通过分离光学和电学设计，利用双微腔共振耦合激子和腔模，增强Purcell效应，提高自发发射速率，最终实现光谱可调的纯绿色发射（FWHM=21 nm）。

2.2 双微腔共振的光谱精细调控

通过传输矩阵计算分析CAV1和CAV2光学厚度对波长对齐的影响。结果显示，调节NPB和TPBi厚度可改变CAV1峰值波长（λ_CAV1），而CAV2的法布里-珀罗共振条件由TCTA厚度（d_TCTA）和顶反射层厚度（d_{Top Ag}）控制。双微腔增益为CAV1腔增益与CAV2法布里-珀罗因子的乘积，可通过独立调控CAV2实现发射峰精细调节，无需改变OLED结构，显著提高设计灵活性。

2.3 G-DMTOLEDs与G-SMTOLEDs的光谱与颜色特性

对比研究表明，G-DMTOLEDs在d_{Top Ag}=35 nm时表现出更高的EL强度和更窄的FWHM（<21 nm）。其CIE 1931色坐标更接近BT.2020绿色标准，最高色域覆盖率（CGC_BT.2020）达95.2%，优于G-SMTOLEDs的92.2%。双微腔结构不仅提升发射效率，还显著扩大可实现色域。

2.4 两种OLED的性能表现

实验制备的G-DMTOLED结构为Glass/Al/MoO₃/NPB/TCTA/CBP:Ir(mppy)₃/TPBi/LiF/Al/Ag/TCTA/Ag/TCTA，优化后实现λ_EL=518 nm，FWHM=21 nm。器件最大亮度达1.241×10⁵ cd m^?2，最高电流效率（CE）、功率效率（PE）和外量子效率（EQE）分别为34.6 cd/A、19.3 lm W^?1和10.3%。尽管效率略低于G-SMTOLEDs，但双微腔结构有效抑制高亮度下的效率滚降，EQE在5×10⁴ cd m^?2下仍保持7.2%。

2.5 两种OLED的分析

模拟显示，G-DMTOLEDs在d_{Top Ag}=8 nm时最大光取出效率达33.9%，高于G-SMTOLEDs的28.6%（d_{Top Ag}=19 nm）。尽管35 nm顶Ag层引入额外吸收和波导损耗，但双微腔结构在实现窄光谱发射方面具有明显优势。角度分辨辐射光谱显示，两种器件在0°–60°观测角下发射峰蓝移小于25 nm，且G-DMTOLEDs始终具有更窄光谱宽度，表现出强方向性。

2.6 与既往研究的比较

与现有磷光和TADF材料基绿色OLED相比，G-DMTOLEDs以21 nm FWHM和518 nm发射峰实现更高色纯度（CIEy=0.732），最大亮度达1.241×10⁵ cd m^?2，CGC_BT.2020覆盖率达92%。增加d_{Top Ag}可进一步压缩FWHM（<15 nm），色坐标(0.127,0.784)逼近BT.2020绿色标准(0.170,0.797)。该策略可推广至MR-TADF OLEDs和红蓝OLEDs，实现全彩高清显示。

3 结论

本研究通过引入CAV2成功实现光谱精确的绿色发射，双微腔结构不仅增强Purcell效应，实现65%光谱窄化和高色纯度，还兼具高亮度、低效率滚降和强方向性。该设计克服了单微腔OLED中光学与电学设计的耦合限制，为先进显示和光子集成提供了高性能、高兼容性的解决方案。

4 实验方法

器件通过热蒸发制备，光学模拟采用MATLAB和FDTD法，性能测试涵盖EL光谱、I-V-L特性及角分辨辐射分布。材料光学常数通过椭圆偏振仪测量，器件结构通过SEM表征，确保设计与实验的一致性。