灯光小，印象大

穿着长袍的学生们微笑着摆姿势拍照。对他们来说，这是一个决定人生的时刻，但也正是这个时刻最近带来了密歇根大学的斯蒂芬·福勒斯特他的职业成就成为焦点。他看到两个女人在给第三个人拍照，其中一个用的是带有液晶显示屏的智能手机。但另一款手机使用的是三星Galaxy，其有机发光二极管(OLED)显示屏采用了福雷斯特开发的技术。他兴奋地说:“我很有可能以1:1的比例进行比较。”“这种差异是惊人的。”

这家韩国电子巨头已经出货了超过3亿件采用OLED显示屏的产品，2012年全球收入估计为70亿美元(45亿英镑)。这一成功经历了30多年，经过精心的分子选择和设计，使oled具有市场领先的显示质量。但随着企业从袖珍显示器转向55英寸以上的电视，制造问题仍有待解决。

液晶显示器通常会向观众发出单一的白色“背光”。它的光通过液晶层和薄膜晶体管(TFT)， TFT控制图像信号、偏振器、扩散器和滤色器。相比之下，制造商可以将单独的100纳米厚的oled直接沉积在TFT上。每个灯管都独立发光，不需要其他光学元件。这将带来更鲜艳的颜色和更真实的黑色，更快的响应时间，避免模糊，更适合3D图像，并降低功耗。“它们会把你的眼球打出来，”福雷斯特说。

oled通过一种被称为电致发光的过程发光:一个被激发的电子与电子缺席留下的“空穴”重新结合。在分子中相遇时，被激发的电子和空穴分别位于材料之前的最低未占据分子轨道(LUMO)和最高已占据分子轨道(HOMO)上。电子和空穴结合在一起，成为激子。当电子填满空穴时，LUMO和HOMO之间的能量间隙的大小决定了它释放的光的颜色。

看到光明

虽然科学家们在20世纪50年代就看到了有机分子的电发光现象，但可能在1979年才出现了第一个可以有效利用的微弱迹象。在伊士曼柯达(Eastman Kodak)位于美国纽约州罗彻斯特(Rochester)的实验室里，唐晶(Ching Tang)正努力开发有机光伏电池。将聚合物、吸收染料和空穴传输分子分离成两种不同的相，效果会稍好一些，于是他继续研究这个想法。

柯达有一个巨大的化学品库，他们让我用紫外线灯进去

史蒂文·范·斯莱克

当唐，现在在罗切斯特大学后来，他把一个更高效的双层电池连接起来，研究通过它的电流流动，他看到了微弱的光芒，激发了他的好奇心。一层传输空穴，另一层传输电子到材料之间的界面。在那里，它们进行了有效的重组，使得Tang能够以比以前低得多的电压从有机化合物中发光。“这在今天被称为有机异质结，几乎所有的有机电子设备都有一个，”Tang说。

由于不知道如何使用这项技术，柯达聘请了史蒂文·范·斯莱克来帮助唐骏。他们选择材料来增加光输出，降低驱动电压，从而降低功耗，并生产出稳定的设备。柯达公司(Kodak)的首席技术长范•斯莱克(Van Slyke)说，柯达拥有一个巨大的化学品库，储存了100多年的化学品Kateeva公司在美国加州门洛帕克。他们用紫外线灯让我进去了。有些瓶子是透明的，有些脖子上有粉末，所以你可以看到化合物被激发。”

O代表有机金属

在这个发光库中漫游，范斯莱克明显发现了一种独特的荧光化合物:三-8-羟基喹啉铝(tris-8- hydroxyquinolinatoaluminum，简称Alq)_3.．唐和范斯莱克发现了一个阿尔克_3.层既能传输电子又能发射光。在一侧放置一个电正的，或低功函数的，10:1的镁:银电极，将电子注入Alq_3.好。在另一侧，他们放置了芳香族胺空穴传输层，最后是高功能透明氧化铟锡(ITO)电极注入空穴。¹这些元素共同推动了绿色oled寿命的“巨大飞跃”。范斯莱克说:“大多数设备只能使用几分钟。”“我记得当时我很惊讶，有了这三个组件，我们可以在一整晚都打开这个设备，有时早上会更亮一点。”

到1989年，柯达的科学家们²将电子产生光子的内量子效率(IQE)提高了一倍，达到2.5%。为了做到这一点，他们修改了原来的设计，加入了Alq_3.带有荧光香豆素或共轭双亚甲基亚胺分子的“宿主材料”。Tang解释说:“在宿主基质中引入少量高发光材料，我们可以改变颜色，提高设备效率和寿命。”空穴和电子传输层的夹心与宿主-掺杂剂发射层填充仍然被使用。

同样是在1989年，杰瑞米·巴勒斯(Jeremy Burroughes)还不知道柯达的oled，他在英国剑桥大学(University of Cambridge)工作，寻找一种绝缘体，用于植入共轭聚合物晶体管原型。他的同事多纳尔·布拉德利(Donal Bradley)提出了聚苯乙烯(PPV)，他在博士期间曾接触过这种材料。但他们也对其用于电信的光学特性感兴趣。当巴勒斯对PPV施加电场来测试这些特性时，他看到了发光。

“然后我们必须发明一种方法来利用这一发现，”布拉德利回忆道塑料电子研究中心主任在英国伦敦帝国理工学院。但不是写论文，巴勒斯，布拉德利和理查德的朋友他是剑桥有机半导体项目的负责人，想先为他们的发现申请专利。这在当时并不常见。“当我们告诉学校我们想这么做时，他们的反应是‘为什么?布拉德利回忆道。

剑桥大学的研究小组坚持不懈，先是申请了专利，然后写了一篇传统的论文，描述了一种比柯达小分子版本简单得多的绿黄相间的设备，就是夹在两个电极之间的PPV。^3.他们把专利分拆出来成立了一家叫剑桥显示技术该公司现在还在其聚合物OLED三明治中加入了聚乙烯二氧噻吩(PEDOT)空穴传输层。

点亮暗淡的希望

随着21世纪的临近，尽管人们最初抱有希望，但oled的效率仍然很低，部分原因是荧光具有基本的量子力学极限。单线态激子是空穴和自旋相反的电子相遇时产生的，允许它落入单线态基态并发光。由自旋相同的空穴和电子形成的三态激子则不是。重组以1:3的比例产生单线态和三线态激子，将IQE限制在25%。

美国科学家斯蒂芬·福雷斯特，当时在新泽西州的普林斯顿大学，和马克·汤普森他认为他们可以避开这一规定。首先，他们用一种铂基掺杂剂制作了一种异常鲜红的OLED。⁴他们意识到，在大的金属原子核附近，激子会经历自旋轨道效应。三态激子的运动和自旋相互作用，推动它们落入单态基态，并通过磷光发光。

三星的分子和我们开发的分子之间有直接的渊源

斯蒂芬·福勒斯特

1998年，汤普森在美国化学学会的一次会议上看到了一种绿色电磷光材料的光学特性。研究小组立刻就知道了这个分子，facr -tris(2-苯吡啶)铱(Ir(ppy)_3.)，是理想的磷光掺杂剂。当福雷斯特是学生的时候马克·鲍多今天，麻省理工学院的一位教授，用它做了一个OLED，它打破了IQE的限制。⁵

“(铱)是一切的关键，”福雷斯特说，“这一发现让我们大吃一惊。不久之后，我们就实现了100%的IQE。从那时起，OLED领域开始成为显示器的实用解决方案。福雷斯特和汤普森的工业伙伴环球显示公司该公司已经将磷光掺杂剂商业化，在每部Galaxy手机中以红色和绿色亚像素的价格出售。福雷斯特说:“这些分子和我们开发的分子之间有直接的谱系。”

除了亮度之外，将三态激子返回到基态电子也有助于使oled更加稳定。“激子是这些材料最大的析构子，”福雷斯特说。它们与一个电子或另一个激子碰撞，能量翻倍。如果能量与分子上的键结合，就会破坏这个分子。在荧光材料中，这三个粒子可以持续几秒钟，四处游荡，试图造成一些破坏。”

做选择

现在OLED显示器已经成为现实，德国公司代有助于进一步降低电力消耗，同时带来其他好处。他们的传输层材料，在Galaxy手机中也无处不在，含有小分子有机氧化还原掺杂剂，可以使电子和空穴在设备中的旅程更加顺畅。

“电极材料”的工作功能与传输材料的HOMO和LUMO水平不匹配，”位于德累斯顿的Novaled产品管理副总裁Sven Murano解释道。“我们在电子一侧添加了强电子供体，在空穴一侧添加了强电子受体，在层中产生了自由载流子。这在选择电极、控制载流子传输和能级方面提供了更大的自由。我们的技术可以实现新的功耗、颜色质量和寿命优化，因此可以做出更好的妥协。”

最常见的OLED显示器中的化学夹层是通过高真空工具蒸发到先前沉积在玻璃基板上的TFTs电极垫上分层的。这包括Novaled的掺杂传输层，通过加热化合物，直到它们升华或蒸发，然后在较冷的目标上凝结而形成。然而，这个过程可能很难管理。

穆拉诺解释说:“蒸发和分解之间有一个很小的温度差距。”“制造商希望提高温度以提高沉积速度和生产速度，但在一定程度上就会发生分解。我们正试图扩大这一差距，这需要通过分子设计来找出分子的薄弱环节，并提出新的核心结构。”

三星的显示屏包含红色、绿色和蓝色并列的子像素。该公司采用气相沉积的方法，在一系列精细金属掩膜(FMM)模板上涂上均匀的OLED材料，每种颜色一种。范斯莱克说:“这样会浪费材料，而且FMM会造成损坏。”但对于制造大型电视来说，最大的问题是FMM无法获得可以同时生产多个55英寸显示器的更大的母玻璃基板。

电影明星

另一种选择是在更大尺寸的玻璃上打印这些层，在Kateeva, Van Slyke正在开发喷墨设备来实现这一点。他说:“制造商喜欢这样做，因为所有的材料最终都在衬底上，浪费少得多，外观和功耗与阴影掩蔽相同。”但是很难控制印刷薄膜的厚度和均匀性。范斯莱克说:“所有的溶剂都必须蒸发掉，而且数量很多，因为溶剂的浓度通常在1-3%。”“合成薄膜必须满足整个基材的均匀性和厚度目标。这一切都可以通过喷墨技术实现，但人们仍在研究中。”

其中一个墨水供应商是住友化学该公司于2007年收购了CDT。CDT的聚合物oled由溶液制成，自2004年以来，可以在柔性薄膜上进行喷墨打印。这就要求以后的涂层不能破坏之前的涂层。Donal Bradley评论道:“化学反应是设计聚合物的电子结构。”但它也在设计外围聚合物元件如何控制其可加工性。它们控制着你可以使用哪种溶剂，以及聚合物在不同溶剂中的可溶性，从而形成你可以相互沉积的层。”

尽管到目前为止，显示器更倾向于真空沉积的小分子oled而不是聚合物，但打印的潜力意味着研究人员也在为小分子开发它。布拉德利说:“关键问题不是聚合物和小分子，而是溶液和真空。”今年1月在拉斯维加斯举行的消费电子产品展(Consumer Electronics Show)上，松下(Panasonic)展出了56英寸OLED电视，三星(Samsung)和LG也推出了55英寸OLED电视。主要的区别是松下的是喷墨打印。尽管宣布了这些消息，但他强调还有更多的研究要做，比如如何在不使用昂贵的铱的情况下获得三胞胎的辐射。布拉德利说:“你可能会想，对于一个55英寸的电视广告产品，不会有太多的科学研究要做。”事实上还有很多。”

OLED的创新也有利于有机电子的其他方面，最显著的是光伏。尽管这是唐骏的起步之路，但他警告称，要在这一领域取得成功可能比显示器市场更难。“有机太阳能电池与硅电池竞争，”唐说。OLED的没有。其他用途将不得不寻找空间，但oled正在寻找真正的商业应用。有一件事是可以肯定的:oled将为未来的电视设定显示质量标准。

安迪·Extance是一位生活在英国埃克塞特的科学作家