华师团队揭示器件物理新机制，助力设计更优的光电器件

新型显示器件，是目前用于手机、电子阅读器屏幕等的基本单元。

在近期一项研究中，华南师范大学团队重点研究了新型发光式显示器件中的主流技术之一：有机发光器件（OLED，Organic Light-Emitting Diode）。

整体来看，他们的研究目标有下列两方面：

其一，能否通过理论模拟与实验结合，预测宏观器件的电学性质或光电性质；

其二，针对 OLED 由无序分子构成的非晶半导体体系，研究其基本物理规律是否符合传统无机半导体的理论，亦或是需要对传统物理理论加以改进或修正。

图 | 刘飞龙（来源：刘飞龙）

与大多数从业者不同的是，他们是做纯理论物理的研究，即研究显示器件的内在工作原理，从而理解器件内部运行机制，为优化器件效率提供新的思路。

例如，对于 OLED 器件，它是由巨量的分子组成无序非晶的体系，然后在外加电压下，正负电荷注入并相遇发光。

从物理上来看，无序有机半导体体系是一个很复杂的、内部物理还没有被完全研究清楚的课题。

在传统的无机晶体半导体中，原子之间通过化学键紧密连结形成周期性的晶体结构；而在无序有机半导体中，分子之间通过较弱的范德瓦尔斯力聚集在一起形成无序堆积结构。

因此，对于电子传输，电子在无机半导体中以波动态存在，其波函数与周期性原子分布的耦合构成了能带传输理论。

在无序有机半导体中，由于不存在周期性，无法承载长程周期传播的波函数，加之分子之间较弱的非键耦合，电子被迫局域化在单个分子上。

电子在分子之间通过非相干跃迁输运（incoherent hopping transport）进行传输，更加具有粒子性。

对于晶体材料来说，由于晶胞重复的特点，只需针对其单个晶胞进行模拟计算，就足以描述材料的物理特性。

而对于无序有机半导体来说，它的介观“无序度”，是对载流子传输特性起决定作用的物理量。

因此，需要模拟足够大的体系（例如 105-106 个分子）才能准确涵盖无序特征，这为理论建模提出了挑战。

该团队近期的理论研究受到 2016 年曾在 Nature Materials 发表的一篇论文的启发，即当把 OLED 中的电荷传输材料进行稀释时，电流效率反而会更高。

这是一个不太符合常理的结论，因为可以用来传输电荷的材料减少了，为什么反而传输更好了呢？

站在理论的角度，课题组针对这个物理问题进行了系统性的三维建模，描述了体系中能量呈指数分布和高斯分布的缺陷态如何影响电子传输。

针对这个问题，课题组还提出了描述材料稀释无序有机半导体的系统性理论，成功解释了实验现象并且揭示了“陷阱稀释”效应的内在机理。

总的来说，这一系列工作展示了构成 OLED 显示器件的无序有机半导体物理是新颖独特的，在很多方面与传统的无机晶体半导体有着本质的区别。

日前，相关论文以《稀释引起的无序有机半导体器件的电流密度增加:动力学蒙特卡罗研究》（Dilution-induced current-density increase in disordered organic semiconductor devices: A kinetic Monte Carlo study）为题发在 Physical Review Applied 并入选编辑推荐（Editors’Suggestion）[1]。

硕士生杨菲玲是第一作者，华南师范大学周国富教授、刘飞龙副研究员、华南理工大学牛泉研究员担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Physical Review Applied）

预计本次成果将来会在显示领域的制造商，例如材料、器件的研发流程中发挥潜在的应用。

目前，OLED 的材料和器件研发在企业中还是以实验“试错法”为主，理论模拟主要集中在光学模拟或者材料结构计算。而对于无序半导体组成 OLED 器件的电学模拟，还没有得到广泛应用。

实验试错法会耗费大量材料、设备、时间、人员等成本。而理论模拟可以帮助实验研发提高效率。

例如，该团队研发的 OLED 模拟技术可以计算混合材料、多层器件结构的电学、光学特性，从瞬态、稳态响应直到器件老化。

而在后续，他们将继续探究新型显示器件的内部物理问题。

另一方面，刘飞龙则要开发自己的计算模拟软件，并力争在工业界得到应用。

他还表示：“我回国加入华南师范大学后，周国富教授领导的电润湿电子纸研究，是一项非常有潜力的新型反射式显示技术。因此，对于电润湿显示的物理建模与计算，也是他们接下来准备深入探索的方向。”

从物理角度来看，电润湿显示的核心是流体力学与电场耦合作用下的油水两相体系运动，其显示色彩来自液相油墨反射外界自然光的颜色，其原理与 OLED 发光式器件有本质不同，因此在未来他们打算采用新的物理建模方法。

参考资料：

1.Yang, F., Van Eersel, H., Wang, J., Niu, Q., Bobbert, P. A., Coehoorn, R., Liu, F., & Zhou, G. (2024). Dilution-induced current-density increase in disordered organic semiconductor devices: A kinetic Monte Carlo study.Physical Review Applied, 21(1), 014050.

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