近日，材料科学与工程学院/物理与光电学院吴宏滨教授课题组在国际著名期刊Nature Photonics (《自然·光子学》)上发表题为“Ultrahigh-radiance near-infrared organic light-emitting diodes” (超高辐射亮度的近红外有机发光二极管)的研究论文。该论文提出了抑制有机发光二极管发光效率滚降的新策略，通过降低长寿命三重态激子对单重态激子的猝灭，将器件在直流和脉冲驱动下的临界电流密度分别提高到100 A/cm2和10 kA/cm2量级，实现了亮度达到地表太阳辐照水平147倍的超高亮度近红外电致辐射。
团队研究成果发表在期刊Nature Photonics (《自然·光子学》)上
近红外波段(700-1700 nm)的发光除了在传感、光通信、工业品控和安全防护等传统领域有着广泛的用途，还因其在生物体内或者组织中呈现散射低、穿透深等特性，在光学相干断层扫描技术、血氧/血糖等生化信息采集、面部/虹膜/指纹等生物辨识等方向具有广泛的应用前景。同时，有机半导体光源具有材料来源丰富，制备工艺简单，成本低廉，生物兼容等突出优点，兼具光谱范围可协调、光谱半高宽大和时间相干性低，使之成为血氧/血糖仪、光生物调节和光学相干成像等非侵入性、可穿戴、可植入电子设备理想的光源之一。
虽然发射波长位于近红外波段的有机发光材料拥有广阔的应用场景，但目前报道的有机近红外发光二极管(OLEDs)仍面临量子效率低、辐射光功率低、寿命短等缺点。特别是受限于器件内激子或载流子间诸多湮灭、竞争性损耗过程导致的效率滚降，当前满足实际应用场景的高效且明亮近红外有机发光二极管仍面临极大的困难，迫切需要新的材料体系和技术路线，实现高亮度的近红外有机发光二极管。
研究人员选用了高跃迁振子强度和高发光效率的给体-受体-给体(A-D-A)型稠环电子受体(BTA3、i-IEICO-4Cl、Y11)作为发光材料。结合系统的热管理和优化载流子注入策略，基于BTA3的电致发光器件其最大外量子效率达到1.34 %。器件呈现极低的效率滚降特性，在6个数量级的电流密度范围内保持与最大效率相当的性能，下降至最大值一半时对应的临界驱动电流J50达到59 A cm-2，远超其它类型半导体材料 (图1)。器件在连续直流驱动模式下，最大工作电流密度达到100 A/cm2以上，在脉冲宽度为1 us的脉冲驱动模式下，最大工作电流密度达到10 k A/cm2级别，并实现了创纪录的46786 W Sr−1 m−2辐射亮度，相当于地表太阳光谱辐照强度的147倍。
图1. (a)器件的电致发光光谱。(b) BTA3的器件电流密度-电压-辐射度特性。(c) 器件的外量子效率-电流密度特性。 (d)文献报道中不同种类的近红外发光器件临界驱动电流密度水平的比较。
为验证器件的超高电流密度工作机理，研究人员设计了系列实验探究材料和器件的有关特性。通过瞬态吸收光谱和基于时间分辨技术的激子湮灭动力学等研究，研究人员发现BTA3分子较低的三重态能级以及短的三重态激子寿命(0.13 s)，有效避免了三重态激子的累积，从而极大地减缓了单重态-三重态湮灭对效率滚降的影响(图2)。较大的三重态激子扩散长度促进了三重态-三重态湮灭过程，有益于提升激子利用率，缓解效率滚降。研究还发现，A-D-A型分子增强的分子刚性和平面性增强了共振能量传递，分子堆积的调控降低了体系的能量无序度，促进了单重态激子的扩散。计算仿真还表明，当器件电流密度过大时(大于10 A/cm2)，单重态-单重态湮灭成为器件效率滚降的主导因素，表明要获得更高的工作电流密度以及实现电泵浦有机激光二极管，需要着重抑制单重态-单重态湮灭过程。
图2. (a) 红外发光材料BTA3在溶液状态下的瞬态吸收光谱。(b)通过单指数拟合提取的三重态激子寿命(约为140~160 ns)。(c) 泵浦强度依赖的单重态激子衰退曲线。(d) 有机近红外发光器件效率滚降特性及其动力学仿真。
研究人员设计制备了面积为10 cm2的大功率器件，以及基于柔性衬底制造的可弯曲面光源，并演示了其在主动夜视照明、非侵入式生物成像、以及与人体紧密贴合的生物医学等场景的应用(图3)。
图3. (a) 预研阶段研制的10 cm2的近红外OLEDs实物照片以及 (b)人手指血管透射成像。(c) 基于柔性衬底制造的1.5×1.5 cm2可弯曲面光源及 (d)可穿戴OLEDs贴片概念演示。(e)用于室内主动夜视照明等应用的示例。
刘万胜博士后是本研究工作的第一作者，谢源专职研究员和吴宏滨教授是论文的通讯作者。该研究得到了华南理工大学彭俊彪教授团队、赵祖金教授团队和曹镛院士的支持，以及西安近代化学所高潮研究员、香港城市大学季昀教授、清华大学段炼教授、北京大学占肖卫教授和中南大学邹应萍教授等团队的帮助。研究工作得到了国家科技部重点研发项目、国家人力资源和社会保障部博士后创新人才支持计划、国家自然科学基金委重点项目、面上项目以及学校、学院专职研究员项目的资助。（图文/吴宏滨，初审/曾晓峰，复审/苏仕健，终审/孟勋）
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-025-01674-5