利用天然提取的硅藻土提升有机发光二极管的性能：一种成本效益高且环保的策略

《Advanced Optical Materials》：Enhancing Organic Light-Emitting Diode Performance Using Naturally Derived Diatomite: A Cost-Effective and Eco-Friendly Strategy

硅藻土作为天然二氧化硅材料，通过纯化、NaOH蚀刻和均质化处理，形成多孔结构薄膜以增强OLED光散射效率。实验表明，10 wt.%硅藻土浓度时电流效率和外部量子效率最优，超过该浓度会因表面粗糙度增加而降低性能。采用COMSOL模拟证实其散射机制源于纳米级孔隙和壳层结构，可实现宽带多角度光提取。研究成功制备了1500 mm2柔性OLED器件，在多次折叠后仍保持稳定发光，验证了硅藻土材料在柔性大面积显示器件中的可行性。

　　有机发光二极管（OLEDs）作为显示和照明领域的重要技术，因其高对比度、广色域和机械柔性等特性而备受关注。然而，OLEDs在实际应用中仍面临光提取效率有限和电荷传输能力不足等关键挑战，这些问题严重制约了其性能的进一步提升。为此，本研究引入了一种来源于硅藻的天然二氧化硅材料——硅藻土（diatomite），作为提升OLED性能的一种可持续且成本效益高的方法。硅藻土是一种具有多孔结构、高比表面积和良好化学稳定性的材料，其天然的微观结构为光管理提供了独特的潜力。

硅藻土的制备过程包括清洗和氢氧化钠（NaOH）蚀刻，以优化其结构和光学特性。清洗步骤旨在去除残留的有机和无机杂质，确保其化学稳定性和形态完整性。随后，通过NaOH蚀刻，可以选择性地溶解硅藻土中的非晶质二氧化硅区域，从而增加内部孔隙率并暴露更大的表面积，以促进光与物质的相互作用。此外，机械研磨处理进一步细化硅藻土颗粒，使其更均匀地分散在溶液中，便于形成均匀的薄膜。这些处理步骤不仅保留了硅藻土的原始形态，还提升了其光学和电学性能，使其成为OLED应用中的理想材料。

通过实验，研究人员发现将不同浓度的硅藻土嵌入OLED基板中，可以显著改善光提取效率。在10 wt.%的硅藻土浓度下，OLED器件表现出最佳的电流效率，这种平衡来自于增强的光散射效果与薄膜质量之间的协调。然而，当硅藻土浓度增加到20 wt.%时，表面粗糙度和薄膜不均匀性显著上升，导致器件性能下降。这表明硅藻土的浓度在提升光散射的同时，必须控制在合适的范围内，以避免对薄膜结构的破坏。

在光散射机制方面，研究通过光学模拟和实验验证，揭示了硅藻土在OLED中的作用。硅藻土的多孔结构和随机分布的特性使得光在进入材料后发生多次反射和散射，从而促进光从基板中逸出。这种多向散射效应不仅减少了总内反射和横向约束，还提高了光提取效率。实验数据显示，随着硅藻土浓度的增加，光散射效率和电流效率均有所提升，但超过一定阈值后，效率开始下降，这与光散射和薄膜质量之间的权衡密切相关。

研究团队还通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）对硅藻土结构进行了表征，进一步确认了其对光散射的贡献。SEM图像显示，硅藻土颗粒在基板上呈现出均匀但随机的分布，这种分布有助于实现光的多向散射。AFM测量则揭示了硅藻土浓度对表面粗糙度的影响，表明在10 wt.%时，表面粗糙度适中，有助于提升光提取性能，而20 wt.%则导致表面不均匀，影响了器件的整体性能。

此外，研究团队还对硅藻土薄膜的光学透过率和雾度（haze）进行了测试，结果表明随着硅藻土浓度的增加，光透过率逐渐降低，而雾度显著上升，这表明硅藻土的引入增强了光的散射效应。为了进一步优化光散射性能，研究人员探索了通过调整硅藻土颗粒的取向和排列方式，以改善光的均匀分布和提取效率。这一方向的探索为未来OLED器件的性能提升提供了新的思路。

在实验验证方面，研究团队构建了具有不同硅藻土浓度的OLED器件，并对其电致发光（EL）性能进行了系统评估。结果表明，10 wt.%的硅藻土浓度在电流效率和功率效率方面均优于参考器件，同时保持了光发射的均匀性。通过比较不同结构的光提取方法，如锥形阵列和缺陷六方密堆积（HCP）结构，研究人员发现硅藻土方法在实现宽带散射的同时，无需复杂的纳米加工工艺，这大大降低了制造成本并提高了可扩展性。

硅藻土的天然特性使其在OLED中具有独特的优势。其多孔结构和随机分布的特性不仅有助于光的多向散射，还能够改善电荷传输性能。研究发现，硅藻土的引入提高了电荷注入效率，这一现象可能与硅藻土颗粒在电极-有机层界面处产生的局部电场增强有关。同时，硅藻土的化学稳定性使其在长期使用中不易发生结构破坏，从而提升了OLED的寿命和可靠性。

本研究还成功制备了面积达1500 mm2的柔性OLED器件，这进一步验证了硅藻土在大面积和柔性器件中的应用潜力。通过弯曲测试，研究人员发现这些器件在100次弯曲循环后仍能保持稳定的发光性能，表明硅藻土不仅提升了光提取效率，还增强了器件的机械柔韧性。这一成果为未来柔性显示和照明技术的发展提供了重要的材料支持。

从可持续发展的角度来看，硅藻土作为一种天然材料，其制备过程相对环保且成本低廉。与传统合成纳米材料相比，硅藻土的获取和处理所需的能量输入较低，这使其成为一种理想的绿色替代材料。此外，硅藻土的多孔结构和可调性使其在多种应用场景中展现出广泛的应用前景，包括生物光子学、传感、催化以及生物医学工程等领域。这种材料的多功能性进一步强化了其在光电子器件中的应用价值。

综上所述，本研究通过引入硅藻土这一天然材料，为OLED技术的发展提供了新的思路。硅藻土的结构优化和光学特性使其在提升光提取效率和电荷传输能力方面表现出色，同时保持了良好的机械柔韧性和化学稳定性。实验和模拟结果表明，硅藻土的引入能够有效减少光损耗，提高器件的发光效率，并在大面积和柔性OLED中展现出良好的适用性。未来的研究可以进一步探索硅藻土颗粒的取向和排列方式，以实现更高效的光管理。此外，硅藻土在其他光电子器件中的应用也值得深入研究，以拓展其在可穿戴设备、智能照明系统和柔性显示屏等领域的潜力。