高色纯度有机发光器件研究进展

自从C.W.Tang和Van Slyke在1987年成功展示了第一个有机发光二极管（Organic light emitting device， OLED）以来［1］，OLED在学术界和工业界都得到了广泛的关注和研究。相比于传统的液晶显示技术，OLED表现出重量轻、响应快、视角广、柔性可折叠等特点［2-4］。然而，OLED发射光谱的半峰全宽（Full width half maximum， FWHM）普遍较宽（>50 nm），导致器件发光的颜色纯度较低［5］。色域范围是评价显示器所能呈现颜色丰富程度的重要手段［6］。近年来，随着人们对显示色彩还原度的要求越来越高，国际电信联盟（International Telecommunication Union， ITU）在2012年公布了一个新的超高清电视（Ultra High-Definition Television， UHDTV）色域标准，即ITU-R Recommendation BT 2020（Rec 2020或BT 2020）。与之前报道的BT 709相比，其色域变得更宽，其中红、绿、蓝的CIE坐标分别为（0.708，0.292）、（0.170，0.797）和（0.131，0.046）［7］。目前，商用OLED显示器的色域范围最大只能达到BT 2020色域标准的64%，这导致OLED在超高清电视（UHDTV）以及超视网膜XDR显示屏等高端显示电子产品的应用存在限制。

相比于传统无机半导体发光材料，如砷化镓、氮化镓及磷化镓等，有机发光材料通常展现出更宽的发射光谱［8-11］。这主要是由于有机发光分子的激发态（单线态S1、三线态T1）和基态（S0）与分子振动（拉伸、弯曲、扭转等）存在耦合作用，激子辐射跃迁受到不同振动能级之间差异的影响，导致吸收和发射光谱的展宽，降低了OLED器件的色纯度。针对OLED的色纯度问题，研究人员从材料设计和器件物理两方面入手对不同类型材料和器件结构进行了优化，并取得了显著进步。本文将分别介绍并总结窄带发射材料和微腔OLED的最新研究进展和成果。由于目前对“窄带发射”没有明确的定义，我们主要关注发射光谱的FWHM小于50 nm的OLED器件。最后，提出了对该研究领域现存问题的看法，这些问题是开发下一代高色纯度OLED显示器必须解决的。

2 OLED色度学基础

2.1　色坐标

OLED的发光颜色可以通过CIE 1931颜色空间进行量化［12］。1931年，国际照明委员会（Commission Internationale de l´Eclairage， CIE）制定了CIE 1931颜色空间，首次定义了电磁可见光谱的波长分布与人类色觉中生理感知颜色之间的定量联系。按照该标准，颜色可以通过两个衍生参数CIEx及CIEy （CIE1931色坐标）表示。该色度空间的制定可以追溯到20世纪20年代由W. David Wright和John Guild主持的人类色彩感知实验。在2°视角下，实验使用了一个圆形分屏，屏幕一侧是待测试光，另一侧是通过调节RGB三基色比例而获得的混合光。通过调节三基色的比例，使观察者观测到混合光与待测试光的颜色相匹配。由于技术限制，RGB三基色光源分别采用了波长为700，546.1，435.8 nm的单色光束，这导致三基色混合光存在难以匹配某些待测光颜色的问题。为匹配这些颜色，通常将红光与待测光相混合，再与蓝绿混合光进行匹配，导致红光原色量被计为负值。通过这种方式，测试颜色可以涵盖人类色彩感知的整个范围。因此，任意单色光束可以通过颜色相匹配的混合光中RGB三基色的比例进行量化管理，即颜色匹配函数r¯(λ)、g¯(λ)和b¯(λ),如 图1(a)所示。为了使该函数在任何波长下均为非负值以简化计算，CIE通过矩阵变换得到了标准颜色匹配函数x¯(λ)、y¯(λ)和z¯(λ)，如图1（b）所示。由于光源通常存在光谱分布特性，我们可以通过卷积处理获得它们的颜色三刺激值X、Y和Z：