摘要：近红外OLEDs因可调谐光学特性、轻质柔性和生物兼容性，在生物成像、可穿戴设备等领域备受关注。然而，受限于“能隙定律”和激子湮灭效应，其发光效率在高电流密度下急剧下降（效率滚降），导致辐射亮度不足（通常

研究背景

近红外OLEDs因可调谐光学特性、轻质柔性和生物兼容性，在生物成像、可穿戴设备等领域备受关注。然而，受限于“能隙定律”和激子湮灭效应，其发光效率在高电流密度下急剧下降（效率滚降），导致辐射亮度不足（通常

成果简介

针对以上难题，华南理工大学吴宏滨教授和谢源研究员团队通过A-D-A分子设计优化激子动力学，结合热管理策略，突破了高电流密度下的效率限制，为高亮度NIR OLEDs及有机电驱动激光器提供了新思路。

该项研究通过开发基于受体-供体-受体（A-D-A）结构的有机半导体材料，显著抑制了单线态-三线态湮灭（STA）速率并缩短了三线态寿命，从而在高电流密度下实现了超高辐射亮度。所制备的器件在连续电驱动下最大辐射亮度超过2000 W sr⁻¹ m⁻²，脉冲模式下可达46700 W sr⁻¹ m⁻²，同时外量子效率（EQE）在电流密度跨越六个数量级（10⁻⁴–10² A cm⁻²）时仍保持稳定。

器件在初始辐射亮度100 W sr⁻¹ m⁻²下的半衰期为35小时，电注入单线态密度在1000 A cm⁻²时超过10¹⁶ cm⁻³，满足粒子数反转条件，为有机激光二极管的发展奠定了基础。相关研究成果以“Ultrahigh-radiance near-infrared organic light-emitting diodes”为题，于2025年5月13日发表在Nature Photonics上。刘万胜博士后是论文的第一作者。

作者简介

吴宏滨，华南理工大学，发光材料与器件国家重点实验室器件制备研究室主任，教育部“长江学者”特聘教授、材料学科全球高被引科学家、教育部跨新世纪优秀人才获得者、国家级青年人才、国家杰出青年科学基金获得者。2006年毕业于华南理工大学, 获博士学位。长期从事有机/聚合物光电材料与器件的研究，在有机电致发光器件、太阳电池以及光探测器件等研究领域方面取得了一系列成果。发表学术论文240余篇, 论文他引16000余次。

图1 用于超高亮度近红外发射的有机半导体。

通过密度泛函理论（DFT）计算揭示了BTA3分子的前线分子轨道分布与低三线态能级（T₁=0.98 eV）（图1b,c），其光致发光量子产率高达30.9%。器件采用蓝宝石衬底与微图案化电极设计（图1e插图），结合钡阴极优化电子注入，在740 nm处实现近红外电致发光（图1d）。电流密度-辐射亮度（J-R）曲线显示，器件在59.2 A cm⁻²时EQE仍保持峰值（1.34%）的一半（图1f），临界电流密度J₅₀比传统器件高1–3个数量级（图1g）。脉冲模式下最大辐射亮度达46700 W sr⁻¹ m⁻²（图1h），半衰期35小时（图1i），性能远超钙钛矿与量子点器件。

图2 光和电激励下的瞬态行为和模拟EQE滚转

通过瞬态光致发光（TRPL）与瞬态电致发光（TAS）实验（图2a–e），量化了单线态-单线态湮灭（SSA）速率（kss=2.0×10⁻⁶ cm³ s⁻¹）和三线态寿命（0.13 μs）。理论模拟表明，TTA过程通过再生单线态缓解效率滚降（图2f），而STA因三线态快速衰减被有效抑制。低Urbach能量（26.9 meV）证实分子膜的高结晶性，进一步支持长程激子扩散（扩散系数1.6×10⁻⁴ cm² s⁻¹）。

图3 BTA3的ASE测量和模拟单线态和三重态密度

BTA3掺杂薄膜在343 nm飞秒激光激发下表现出超低ASE阈值（1.36 μJ cm⁻²，图3c），较同类材料降低4倍以上（图3d）。纳秒泵浦实验表明，电流密度达6.9 kA cm⁻²时可实现电驱动ASE（图3e）。激子密度模拟（图3f）显示，1000 A cm⁻²下单线态密度超10¹⁶ cm⁻³，满足激光阈值条件，为电泵浦有机激光器奠定基础。

图4 基于BTA3的大面积近红外光源演示及其应用

基于旋涂工艺制备的10 cm²大面积器件（图4a）在5 mA cm⁻²下可以实现均匀近红外照明，并用于人体皮下血管（图4b）和活体器官（图4c）的高分辨率成像。柔性器件在弯曲状态下仍保持稳定发光（图4d），可集成于可穿戴生物传感器（图4e）。此外，器件在0.15 A cm⁻²下输出30 mW光功率（图4f），适用于安防与光通信领域。

结论展望

该项研究通过A-D-A型分子设计，实现了高亮度、低效率滚降的近红外OLEDs。器件在超宽电流密度范围内（高达1000 A cm⁻²）保持高效发光，其辐射亮度和稳定性优于现有钙钛矿和量子点近红外发光器件。激子动力学分析表明，低三线态能量和短寿命有效抑制了单线态湮灭，而高三线态-三线态湮灭（TTA）速率进一步促进了单线态再生。该材料同时展现出近红外区域放大的自发发射（ASE）低阈值，表明其作为有机激光增益介质的潜力。基于大尺寸器件的生物成像和柔性光电子学应用验证了其实际价值，为下一代近红外有机光电器件提供了重要技术路径。

文献信息

Liu, W., Deng, W., Wang, W. et al. Ultrahigh-radiance near-infrared organic light-emitting diodes. Nat. Photon. (2025). https://doi.org/10.1038/s41566-025-01674-5

来源：MS杨站长