高亮低滚降，双微腔 OLED 为 AR/VR 近眼显示提供理想光源

在 8K 超高清显示、增强现实（AR）/ 虚拟现实（VR）前沿科技领域，对光谱精准、高效紧凑的电致发光器件需求正呈爆发式增长。近日，韩国庆北国立大学与韩国产业技术研究院（KITECH）的联合研究团队在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了一项具有里程碑意义的研究成果。该团队创新性地提出双微腔共振增强珀塞尔效应策略，成功研发出绿色双微腔顶发射OLED（G-DMTOLED），将传统磷光 OLED 的半高全宽（FWHM）从 60 纳米大幅压缩至 21 纳米，实现约 65% 的光谱窄化，色坐标精准逼近 BT.2020 超高清标准，同时兼具高亮度、低效率滚降与环境兼容性等优势，为下一代显示方案开辟了全新路径。

图1. G-DMTOLEDs设计理念：通过双微腔协同作用，实现对宽光谱绿色磷光发射体的光谱精准调控

1、行业痛点凸显，传统技术陷入发展瓶颈

随着显示技术的快速迭代，发光器件的光谱精度、亮度、稳定性及环境兼容性已成为制约行业发展的核心瓶颈。在高端显示领域，BT.2020 超高清标准对色彩还原度提出了严苛要求，尤其是绿色光作为色域覆盖的关键波段，其纯度直接决定了显示画面的真实感与沉浸感。

然而，现有发光技术长期面临难以调和的矛盾：无机半导体发光器件虽能实现锐化发射，但其刚性结构、环境兼容性差及体积庞大等缺陷，无法满足柔性化、集成化的应用需求；有机发光二极管（OLED）凭借自发光、柔性兼容、高效率等优势，已广泛应用于智能手机、电视等商用显示产品，但传统有机发光材料受激子 - 振动耦合与结构弛豫的固有特性影响，发射光谱宽（FWHM 通常大于 50 纳米），颜色纯度不足，难以达到高端显示方案的窄带发射要求。

为突破这一技术桎梏，科研界曾尝试多种解决方案，但均存在明显短板：光学微腔结构通过光的干涉效应可提升光谱精度，却需复杂的反射器设计，且光学与电学性能难以同时优化，导致器件效率与稳定性下降；量子点与金属卤化物钙钛矿材料虽能实现窄带发射（FWHM<25 纳米），但含有镉、铅等有毒重金属，存在严重的环境风险与生物安全隐患，限制了其在消费电子等领域的应用；有机多共振热激活延迟荧光（MR-TADF）材料作为无毒替代方案，虽在窄带发射方面展现出潜力（FWHM<25 纳米），却面临波长精准对准困难、高亮度下效率滚降严重等问题，始终无法满足 BT.2020 标准对绿色光的严苛要求。在此背景下，开发一种不依赖新型发光材料、兼顾光谱精度与实用性的器件架构，成为全球科研团队与产业界共同攻关的核心课题。

图2. a）为器件结构示意图；b）为腔体增益的三维分布图；c）为 OLED 腔体增益随 NPB 层厚度与 TPBi 层厚度的变化曲线；d）为附加腔体结构示意图；e）为法布里 - 珀罗因子的三维切片图，f）为 G-DMTOLEDs 中CAV2 的法布里 - 珀罗因子随CAV1波长与 TCTA 层厚度的变化曲线；g）为完整 G-DMTOLEDs 器件的结构示意图；h）为双腔总增益的三维切片图；i）为器件双腔总增益随CAV1波长与TCTA 层厚度的变化曲线

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2、双微腔架构创新，三重核心机制实现突破

针对传统技术的痛点，韩国联合研究团队跳出“材料创新” 的固有思维，转而从器件结构设计入手，提出 “双微腔共振增强珀塞尔效应” 的全新策略。通过在单微腔顶发射 OLED（G-SMTOLED）上方引入次级光学腔（CAV2），构建 “底层发光微腔 + 上层调控微腔” 的嵌套结构，成功实现光学与电学设计的分离优化，从根本上解决了光谱窄化与器件性能之间的矛盾，其核心创新体现在三个维度。

器件结构：双层微腔设计实现独立调控

G-DMTOLED 的核心突破在于其精巧的双层微腔嵌套结构，实现了光学性能与电学性能的解耦调控。底层微腔（CAV1）作为基础发光单元，由高反射率铝阳极（100 纳米）、半透明锂氟 / 铝 / 银阴极（1/1/15 纳米）及中间的有机 - 无机多层薄膜组成，具体包括空穴注入层（MoO₃，5 纳米）、空穴传输层（NPB）、电子阻挡层（TCTA，15 纳米）、发光层（CBP:Ir (mppy)₃，30 纳米）和电子传输层（TPBi）。研究团队通过精确调节空穴传输层（NPB）和电子传输层（TPBi）的厚度，使 CAV1 在保证优异电学传输特性的同时，实现 450-550 纳米范围内的一阶模式共振，为后续光谱调控奠定基础。上层微腔（CAV2）作为专门的光谱调控单元，由 TCTA 层与顶部银反射器构成，沉积于 CAV1 之上，无需改变 OLED 核心发光结构。这种分层设计的关键优势在于，光学性能优化与电学性能设计互不干扰 —— 通过独立调节 CAV2 的 TCTA 层厚度（d_TCTA）和顶部银层厚度（d_Top Ag），即可精准调控共振条件，实现对发射光谱的精细调谐。实验证明，这种结构设计不仅简化了器件制备流程，更大幅提升了光谱调控的灵活性与精准度，彻底解决了传统单微腔器件中光学与电学难以兼顾的核心矛盾。

图3. G-DMTOLEDs的人工可调色度特性：a) 基于 CAV2 与 15 nm 顶银层（dTop Ag）的 OLED 电致发光（EL）强度计算；b) EL 峰值波长的偏移规律；c) CIE 1931 色坐标分布；d) 固定腔模波长下的 EL 强度特性；e) EL 光谱带宽的调控规律；f) 光谱带宽调控对应的色坐标变化

核心机制：珀塞尔效应强化实现窄带发射

双微腔结构的另一大突破在于显著增强了珀塞尔效应。在微腔系统中，激子与腔模的耦合会加速自发发射速率，这一现象被称为珀塞尔效应，是实现窄带发射的关键物理机制。在 G-DMTOLED 中，CAV1 与 CAV2 形成的双重共振场，使激子与腔模的相互作用大幅增强，自发发射速率显著提升，进而带来三重关键优势：

一是通过选择性增强共振波长、抑制非共振模式，实现光谱的大幅窄化。实验数据显示，传统磷光发射体的 FWHM 为 60 纳米，而 G-DMTOLED 的 FWHM 仅为 21 纳米，光谱窄化幅度达到 65%，成为目前绿色 OLED 领域最窄的发射带宽之一；

二是有效抑制高亮度下的三线态 - 三线态湮灭和三线态 - 极化子湮灭，显著改善器件的效率滚降问题。在 5×104cd/m²的高亮度条件下，G-DMTOLED 的外量子效率（EQE）仍维持在 7.2%，表现远优于传统 MR-TADF 器件；

三是诱导发射光的定向传播，使器件呈现强方向性，为显示器件的视角控制与光提取效率提升提供了新路径，尤其适用于 AR/VR 近眼显示等对视角有特殊要求的场景。

调控灵活性：多维度参数实现宽范围精准调谐

研究团队通过传输矩阵计算与有限差分时域（FDTD）模拟，系统验证了双微腔结构的灵活调控能力。在 CAV1 的共振波长固定为 550 纳米时，仅调节 CAV2 的 TCTA 层厚度，即可实现 493-561 纳米范围内的共振波长移动，完全覆盖绿色光波段；若固定 TCTA 层厚度为 150 纳米，随着 CAV1 共振波长从 450 纳米增至 550 纳米，双微腔共振峰可从 462 纳米红移至 535 纳米，实现全波段的精准匹配。

此外，调节顶部银层厚度可进一步优化光谱特性。当 d_Top Ag 从 15 纳米增至 55 纳米时，EL 光谱的 FWHM 持续窄化，最窄可达 13.6 纳米，对应的 CIE 1931 色坐标从（0.212, 0.707）偏移至（0.126, 0.777），颜色纯度大幅提升。这种多维度的调控方式，使器件能够根据不同应用场景的需求，精准匹配目标波长，为全色系超纯发射器件的开发提供了通用方案，具备极强的技术扩展性。

图4. 绿色单微腔顶发射 OLED 与绿色双微腔顶发射 OLED 的性能对比：a) 器件结构示意图；b) 电致发光光谱对比；c) 峰值波长与半高全宽的变化规律；d) CIE 1931 色坐标与色域构建；e - f) 基于 BT.2020 标准的绿色色域表征

3、性能指标全面领先，应用场景持续拓展

实验制备的 G-DMTOLED 器件在光谱特性、光电性能与兼容性方面均展现出行业领先水平，为其在多领域的广泛应用奠定了坚实基础。

光谱与色彩性能：精准逼近 BT.2020 标准

G-DMTOLED 的核心突破在于其超窄带发射特性与超高颜色纯度。器件的峰值发射波长为 518 纳米，FWHM 仅 21 纳米，较原始发光材料实现约 65%的光谱窄化。对应的 CIE 1931 色坐标为（0.163, 0.732），BT.2020 色域覆盖率高达 95.2%，远超 NTSC 标准（CIE y=0.73），距离 BT.2020 绿色标准（0.170, 0.797）仅一步之遥。

当进一步优化顶部银层厚度至 60 纳米时，器件的 FWHM 可压缩至 15 纳米以下，色坐标达到（0.127, 0.784），几乎完全匹配 BT.2020 标准要求。这一成果解决了长期困扰行业的绿色光纯度不足问题，为超高清显示技术的色彩还原提供了关键支撑，有望推动 8K 超高清显示、AR/VR 近眼显示等领域的画质实现质的飞跃。

光电性能：高亮度与低滚降兼备

在保持超窄带发射的同时，G-DMTOLED 展现出优异的光电综合性能。器件的最大亮度达到 1.241×105cd/m²，远超户外显示（>104 cd/m²）与 AR/VR 近眼显示的亮度需求，即使在强光环境下也能保证清晰的显示效果；峰值外量子效率（EQE）为 10.3%，电流效率 34.6 cd/A，功率效率 19.3 lm/W，在窄带发射器件中处于领先水平。

更重要的是，器件在高亮度下仍保持稳定性能。传统 OLED 器件在高亮度下容易出现效率大幅下降的 “滚降” 现象，而 G-DMTOLED 得益于增强的珀塞尔效应，有效抑制了非辐射复合过程，在 5×104 cd/m²的高亮度条件下，EQE 仍维持在 7.2%，效率滚降得到显著抑制。与单微腔器件（G-SMTOLED）相比，G-DMTOLED 在相同光谱宽度下的光提取效率提升约 5 个百分点，当 FWHM 均为 20 纳米左右时，双微腔器件的外耦合效率达到 33.9%，而单微腔器件仅为 28.6%，充分体现了双微腔架构的性能优势。

图5. 制备 OLED 器件的光电特性表征：a) G-DMTOLED 的横截面 SEM 图像；b) G-DMTOLED 的能级图；c) 电流密度 - 电压 - 亮度（J-V-L）特性；d) 最大亮度下的 EL 光谱对比；e) 效率随亮度的变化曲线；f) CIE 1931 色坐标与发光实拍图

兼容性与扩展性：多体系适配潜力巨大

该双微腔架构具有极强的兼容性与扩展性，为其产业化应用提供了广阔空间。研究表明，该策略不仅适用于磷光 OLED，还可与 MR-TADF 材料、量子点、极化子器件及周期性光子结构结合，有望进一步提升器件效率与光谱性能。通过与下一代非毒性有机发光材料搭配，可实现效率与环保性的双重提升，符合全球电子产业绿色发展的趋势。

此外，该架构可轻松拓展至红、蓝等其他波段。通过调节双微腔的共振条件，可实现全可见光谱范围内的超窄带发射，为构建覆盖 BT.2020 全色域的显示面板提供了统一解决方案。器件采用的有机材料无重金属污染，制备过程兼容现有热蒸发工艺，无需额外引入复杂设备，大幅降低了产业化门槛，具备快速实现规模化生产的潜力。

4、技术对比彰显优势，行业影响深远

为凸显双微腔技术的创新性与优越性，研究团队将 G-DMTOLED 与现有主流技术进行了全面对比。与量子点和金属卤化物钙钛矿器件相比，G-DMTOLED 不含重金属，环境兼容性更佳，且不存在材料稳定性问题；与 MR-TADF 器件相比，G-DMTOLED 无需复杂的分子设计，即可实现更窄的光谱宽度与更精准的波长对准，同时解决了高亮度下效率滚降的痛点；与传统单微腔器件相比，G-DMTOLED 在光谱窄化幅度、调控灵活性与光提取效率方面均具有显著优势，尤其在相同光谱宽度下，双微腔器件的效率更高，更适合高端应用场景。

图6. 本研究开发器件与已报道的磷光和热活化延迟荧光发光层基绿色 OLED 器件的性能对比：a) 已报道器件的半高全宽汇总；b) 最大亮度与 CIEy 坐标的关联特性；c) G - DMTOLED 的 BT.2020 色域构建；d) 顶银层厚度对色坐标的影响

在与已报道的绿色 OLED 器件对比中，G-DMTOLED 的 FWHM（21 纳米）窄于多数先进 MR-TADF 器件（FWHM<25 纳米），色坐标更接近 BT.2020 标准，最大亮度达到 1.241×105 cd/m²，综合性能处于行业领先水平。这一成果不仅打破了“窄带发射必须依赖新型发光材料” 的传统认知，更为有机电子器件的高性能化提供了 “结构创新替代材料创新” 的全新范式。

在显示领域，超窄带发射特性与高色域覆盖能力，将推动 8K 超高清显示、AR/VR 近眼显示、柔性显示等技术的画质升级。未来搭载该技术的显示产品，将实现更精准的色彩还原、更高的对比度与更清晰的细节表现，为用户带来沉浸式视觉体验，加速超高清显示产业的普及。研究团队表示，未来将重点推进两大方向的研究：一是通过引入水平取向偶极子发光材料与光提取增强技术，进一步提升器件的量子效率，目标将EQE 提升至 15% 以上；二是拓展双微腔架构在近红外波段的应用，开发适用于生物成像、环境监测等领域的新型发光器件。

来源：CINNO

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