近日，柔性電子全國重點實驗室黃維院士團隊在高性能有機發(fā)光晶體管領(lǐng)域取得重大突破。團隊成功研發(fā)出高效率、低功率損耗的兼具水平和垂直結(jié)構(gòu)的有機發(fā)光晶體管，為未來大面積柔性顯示和低功耗光通信等應(yīng)用開辟了全新路徑。相關(guān)研究成果以“Exciton management and balanced charge-carrier transport enable efficient organic field-effect light-emitting transistors”為題，于11月10日發(fā)表于國際頂尖學術(shù)期刊《自然?光子學》（Nature Photonics）上。
有機場效應(yīng)發(fā)光晶體管（OFE-LET）是一類極具潛力的新型光電器件，它巧妙地將有機發(fā)光二極管的發(fā)光特性與場效應(yīng)晶體管的電流開關(guān)特性高度集成，在高性能柔性有機顯示應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用前景，因而受到國內(nèi)外學術(shù)界的廣泛關(guān)注。然而，當前該領(lǐng)域面臨著諸多挑戰(zhàn)。單層OFE-LET由于分子堆積和延展共軛引發(fā)的激子猝滅效應(yīng)，其性能在很大程度上依賴于功能材料的分子設(shè)計；多層OFE-LET結(jié)構(gòu)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)電荷注入、傳輸與發(fā)光過程的空間分離，將激子的輻射復合限制在發(fā)光層內(nèi)，但卻難以實現(xiàn)載流子注入和輸運的平衡，并且無法構(gòu)建優(yōu)異的光學耦合輸出微腔結(jié)構(gòu)，導致大量產(chǎn)生的光子被困在光腔內(nèi)部，造成能量損失。所以，如何同時實現(xiàn)有機發(fā)光晶體管中載流子、激子和光子的精準調(diào)控，成為目前該領(lǐng)域亟待攻克的重大科學難題。
針對這一挑戰(zhàn)，團隊提出了一種基于非對稱交錯電極結(jié)構(gòu)的多層器件設(shè)計，可同時進行載流子和光子的精確調(diào)控，實現(xiàn)高效率、高亮度、低功率損耗的有機發(fā)光晶體管。通過開發(fā)具有平衡雙極傳輸特性的主體材料，有效促進電子沿分子骨架遷移，增強電子親和性，實現(xiàn)平衡的雙極性傳輸性能。
基于上述策略，團隊成功制備出紅、綠、藍三色高性能OLET器件。其峰值外量子效率分別達到18.4%、21.2%和14.4%，電流效率分別為26.9 cd A-1、78.0 cd A-1和31.7 cd A-1，最大亮度分別為16110 cd m-2、19577 cd m-2和4383 cd m-2。此外，開發(fā)的圖案化OFE-LET陣列具備超過60%的開口率，像素電路寄生功耗僅為5.6%。該研究不僅創(chuàng)新性地為開發(fā)高效率、高亮度和低功率損耗的有機發(fā)光晶體管確立了關(guān)鍵的器件設(shè)計原則，并為推動大面積柔性顯示、電泵浦有機半導體激光器和光通信等前沿領(lǐng)域應(yīng)用提供了全新路徑。
西北工業(yè)大學博士研究生李東海、侯雨辰，南京工業(yè)大學碩士研究生王劍，以及德累斯頓工業(yè)大學邢珅博士為論文共同第一作者，柔性電子全國重點實驗室吳忠彬教授、陶友田教授和黃維院士為論文通訊作者。該工作獲得了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃等項目的資助和支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41566-025-01793-z
圖：高效低功耗紅綠藍三基色有機場效應(yīng)發(fā)光晶體管
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