高深宽比有机发光二极管：通过衬底纹理化突破OLED照明效率与寿命瓶颈

《Nature Communications》：High aspect ratio organic light-emitting diodes

有机发光二极管(OLED)在固态照明应用中面临高亮度下寿命缩短的挑战。本研究通过构建具有亚毫米级高深宽比表面纹理的衬底，成功增加了单位面板面积内的有效OLED发光面积。研究结果表明，该方法使器件在相同面板亮度下工作电流密度显著降低，荧光蓝光和磷光绿光OLED的寿命分别提升2.7倍，外量子效率提升达40%，为OLED照明技术提供了全新的解决方案。

　　

在照明技术快速发展的今天，有机发光二极管(OLED)因其出色的色彩表现和柔性特征，已成为显示领域的明星技术。然而，当我们将目光转向更具潜力的通用照明市场时，却发现OLED面临着严峻的挑战。与显示应用相比，照明需要高出近一个数量级的亮度要求，而OLED的效率和寿命却随着电流密度(即亮度)的增加而急剧下降。这种固有的物理限制，使得OLED照明产品在商业化的道路上举步维艰。

传统的解决方案主要围绕光提取效率的提升和串联器件结构的优化展开。通过改进器件结构设计，如引入微透镜阵列或散射层，可以增强光的输出效率；而采用多层串联结构，则能在相同电流下获得更高的亮度。然而，这些方法都存在理论极限——光提取效率不可能超过100%，串联层数也受制于制备工艺和成本因素，通常不超过六层。面对照明市场对长寿命、高效率的迫切需求，科学家们迫切需要一种全新的技术路径。

正是在这样的背景下，密歇根大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究，提出了一种名为“高深宽比OLED”的创新概念。这项研究的核心思想相当巧妙：既然无法无限提高器件的效率，何不通过增加有效发光面积来降低单位面积的工作负荷？就像通过增加散热片面积来降低电子元件的温度一样，研究人员通过在衬底上创建亚毫米级的高深宽比纹理结构，成功实现了单位面板面积内有效OLED发光区域的大幅增加。

研究团队采用复制模塑技术制备具有三角形波纹结构的衬底，其深宽比(高度与宽度之比，ζ=h/w)范围在0.2到0.8之间，周期为10-100微米。这种尺寸选择经过精心考量：既要远大于OLED堆栈的厚度(约100纳米)，确保器件在电学上可被视为局部平面；又要小于人眼视觉敏锐度，使面板亮度在视觉上呈现均匀分布。

关键技术方法包括：使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)模具复制商业微棱镜片制备纹理化衬底；通过射频溅射沉积氧化铟锡(ITO)阳极；采用标准真空热蒸发(VTE)技术沉积有机功能层和金属阴极；通过光谱辐射计和积分球系统精确表征器件性能；在恒定面板电流密度下进行加速老化测试评估器件寿命。

高深宽比OLED概念

研究团队通过几何分析表明，在三角形波纹衬底上，器件有效面积(A_dev)与面板面积(A_pan)之比β_AE可由公式√[1+(2ζ)²]计算得出。当ζ=0.8时，β_AE可达约1.4，意味着在相同面板亮度下，器件局部电流密度可降低至平面器件的70%。这一原理与先前利用纳米级衬底波纹改善光提取的研究有本质区别，后者因ζ远小于0.1而导致的面积增强效应可忽略不计。

制备工艺与涂层均匀性

通过扫描电子显微镜(SEM)分析显示，在β_AE=2的模拟器件中，ITO、有机层和铝阴极均呈现良好的保形覆盖。由于真空热蒸发的方向性特性，局部沉积角度变化导致顶点区域厚度大于侧面区域，但占主导地位的侧面区域厚度均匀性优异(标准偏差小于5%)。研究人员通过将名义沉积厚度增加β_AE倍，成功在纹理衬底上获得了与平面器件相当的局部层厚度。

磷光绿光OLED性能

针对面积增强因子分别为1.1和1.4的器件，研究团队制备了 state-of-the-art 磷光绿光OLED。电致发光显微图像显示，除AE1.1器件因母模缺陷出现暗点外，其余器件均呈现均匀发光。值得注意的是，AE1.4器件中较暗的垂直条纹对应于波纹的谷顶点，该区域较厚的OLED堆栈导致电流密度较低。器件性能测试表明，所有纹理器件均表现出与平面对照相当的开启电压和低漏电流特性。

效率与电流密度分析

高深宽比器件的外量子效率(EQE)显著高于平面对照，AE1.1和AE1.4器件的提取增强因子β_oc分别达到1.6和1.4。这种提升归因于波纹结构对衬底模的高效散射输出。更重要的是，当以面板亮度为基准时，高深宽比器件达到5000 cd m^-2所需器件电流密度(J_dev)显著降低，降低因子为β_ocβ_AE，与理论预期高度吻合。

蓝光OLED寿命提升

在蓝光荧光OLED中，尽管因环氧树脂的蓝光吸收导致光提取增强较弱(β_oc≈1.1)，但面积增强效应依然带来了显著的寿命改善。在恒定面板电流密度(J_pan=3 mA cm^-2)下，AE1.4器件的LT95寿命(亮度降至初始值95%所需时间)达到平面对照的2.7倍。电致发光显微图像显示，老化过程中形成的暗点主要源于衬底清洁度问题，而非纹理结构本身缺陷。

研究结论与讨论部分指出，OLED寿命与电流密度之间存在τ₉₅∝J_dev^-α的经验关系(α通常为1.5-2.5)。AE1.4器件观察到的2.7倍寿命提升略高于仅基于面积增强因子的预期值(β_AE^α≈1.8)，这可能与器件温度差异有关——高深宽比器件因功率密度较低和环氧树脂与玻璃热导率差异，可能工作在更低的温度下。虽然高深宽比方法在照明领域前景广阔，但并不适用于显示应用，因为散射会引起像素间光学串扰和图像模糊，且高分辨率像素图案化在纹理衬底上极具挑战性。

这项研究的真正意义在于为OLED照明技术提供了一条与现有生产工艺高度兼容的创新路径。通过衬底纹理化实现面积增强，无需改变OLED材料体系即可显著提升器件寿命和效率。随着有机气相沉积等先进镀膜技术的发展，以及刻蚀、模塑等玻璃纹理化工艺的成熟，高深宽比OLED有望在未来照明市场中发挥重要作用，最终推动OLED照明技术的广泛商业化应用。