有机电致发光器件领域新成员——有机单晶半导体

来源：科学通报

有机半导体材料的历史可以追溯至20世纪40年代，这一材料体系囊括了有机小分子和有机聚合物两大类。凭借简单的低温加工工艺和良好的机械柔性，有机半导体材料为实现低成本、大面积柔性电子器件提供了理想的解决方案[1]。

更关键的是，有机半导体材料可通过分子裁剪手段，调控材料的溶解度、极性、能带结构，以及载流子迁移率等性质，为丰富材料的多样性提供了必要手段。在有机场效应晶体管、有机太阳能电池和有机发光二极管等基础研究和应用领域，有机半导体材料都已经取得了长足的发展，并引起工业界的广泛关注。

近些年，作为有机半导体材料的一个重要分支，有机单晶材料以其诸多优越特性成为人们关注的焦点。有机单晶具有规则有序的分子排列，为揭示分子间结构与性质之间的关系和有机半导体基本物理性质提供了良好的模型体系[2]。此外，其低的杂质含量、高的载流子迁移率以及高的热稳定性等优点，对光电子领域的发展也产生深远的影响。

在早期的研究中，有机单晶半导体材料作为重要的工具，用以衡量和评价材料内部的电荷输运能力。基于场效应晶体管器件结构，可测量晶体材料的表面电荷输运能力，已报道最优的迁移率高达43 cm2 V-1 s-1。

因在材料内发现了放大自发辐射(ASE)和激光振荡等现象，又使其在光泵浦激光器领域应运而生，并迅速成为研究的热点[3]。

而有机单晶电致发光器件的研究，可以追溯至1963年，作为第一种被应用于有机电致发光器件的材料，具有跨时代的意义，推动了有机电致发光器件的发展和应用。

在Web of Science网站检索“有机单晶”关键词，可以看到，仅过去半个世纪的时间里，已有超过41000篇相关文章发表，这种对有机单晶材料的狂热已延伸到多种类型的光电器件上。

吉林大学冯晶教授与清华大学孙洪波教授研究团队合作，在Laser & Photonics Reviews上发表综述论文[4]，结合近年来该团队的相关工作，从有机单晶光电特性、生长方法到电致发光器件应用，系统评述了有机单晶在电致发光领域的最新研究进展。

(a)模板剥离法制备有机单晶发光二极管器件流程；(b) 有机单晶发光二极管器件结构及(c)能级结构；(d)有机单晶发光二极管电致发光照片(1.蓝2.绿3.红4.白)

文章首先从分子堆积模式、电荷输运能力、发光特性以及各向异性等角度出发，介绍了近年来有机单晶在光电特性方面的理论和实验研究。这些重要性质与电致发光器件应用息息相关，对其深入的了解可为进一步优化材料性能、器件结构和工艺提供重要依据。

文章又回顾了制备高质量有机单晶的各种方法，包括溶液法、熔融法以及气相法等，这些生长方法的改进有助于有机单晶光电器件的快速发展。

同时总结了有机单晶电致发光器件领域的最新进展，包括两种典型的器件结构，发光二极管和发光场效应晶体管器件。

文中详细介绍了团队在有机单晶电致发光器件方面的工作：

提出模板剥离法制备有机单晶发光二极管器件，实现载流子均匀注入和面发光器件；

利用苯-噻吩齐聚物晶体材料实现偏振可调的可变光发光二极管器件；

借助染料分子掺杂技术并优化器件结构，成功实现了高效率红绿蓝三色发光的有机单晶发光二极管器件；

利用荧光偏振探测技术，结合第一性原理计算，提出了掺杂有机单晶中主、客体分子的堆积模型，最终证明掺杂有机晶体材料内部客体分子处于一种“完美”替位式掺杂结构；

采用双掺杂技术，实现均匀发光并覆盖红绿蓝波段的宽光谱的白光有机单晶材料，并借此制备了高效率高显色指数的有机单晶白光发光二极管器件。

这些工作为拓展晶体材料在光电器件领域的应用提供了关键信息。文章的最后展望了有机半导体单晶未来在电致发光领域将要面临的机遇和挑战。

参考资料：

[1] Buckley A. Organic light-emitting diodes (OLEDs): materials, devices and applications. The Netherlands: Elsevier, 2013

[2] Wang C, Dong H, Jiang L, et al. Organic semiconductor crystals. Chem Soc Rev, 2018, 47: 422-500

[3] Fang H H, Yang J, Feng J, et al. Functional organic single crystals for solid-state laser applications. Laser Photonics Rev, 2014, 8: 687-715

[4] Ding R, An M H, Feng J, et al. Organic single-crystalline semiconductors for light-emitting applications: Recent advances and developments. Laser Photonics Rev. 2019, 13: 1900009