近日，吉林大学电子科学与工程学院谢文法教授团队与香港城市大学理学院李振声教授合作在有机光电子领域取得重要进展，研究人员发现并验证了有机半导体中的厘米级空穴横向扩散现象，基于此，提出并验证了一种新的载流子动力学模型，为解决有机电致发光器件(organic light-emitting diodes，OLEDs)中存在的激子-极化子湮灭问题提供了新思路，有望推动OLED技术在照明领域的应用。该研究成果于2022年04月30日在学术期刊《Science Advances》正式发表(Centimeter-scale hole diffusion and its application in organic light-emitting diodes)。论文第一完成单位为吉林大学电子科学与工程学院、集成光电子学国家重点实验室，吉林大学副教授、香港城市大学博士后(香江学者)刘士浩博士为论文第一作者，吉林大学谢文法教授和香港城市大学李振声教授为论文共同通讯作者。

通常而言，传统有机光电器件的电学特性是由纵向电场下的载流子动力学过程决定的，根据连续性方程，在稳态时，空穴传输区及电子传输区的电流始终处于平衡状态。然而，由于有机传输材料的空穴和电子迁移率的差异，器件中的电流平衡通常由载流子在器件内部的积累(调控电场强度分布)或穿越器件的漏电流来实现(图A)。在OLED中，漏电流的存在不仅会产生严重的效率损耗，而且也会显著降低器件的工作寿命。目前报道的高性能OLED利用载流子阻挡层有效地解决了漏电流问题，但不可避免地带来载流子积累问题，器件内部的载流子积累会产生严重的激子-极化子湮灭(如triplet-polaron annihilation，TPA，图B)，也将导致器件效率和工作寿命的下降。在材料科学家开发出具有匹配的电子和空穴迁移率的有机半导体材料之前，从器件物理层面探寻新的电流平衡机制，并从实验上进行验证，是该领域的科学和技术难题。谢文法教授团队与李振声教授通过深入合作，提出并验证了一种新的载流子动力学机制(图C和D)，即利用多数载流子的横向扩散行为实现OLED中的电流平衡。基于该思路，研究团队通过组分及界面工程(图E和F)在有机半导体薄膜中实现了厘米尺度的空穴横向扩散行为，并将该薄膜作为横向扩散层构建了新型OLED(图G)。这种厘米尺度的空穴扩散行为可以有效增强垂直于纵向电场的横向电流，为新型电流平衡机制的建立提供了基础。该研究工作的结果表明，在采用新型电流平衡机制的OLED中，载流子积累问题可以得到有效解决，器件发光效率和工作寿命得到了大幅改善。该研究为有机光电器件的结构设计提供了一种全新思路，对推动有机半导体器件在照明领域的产业化发展具有重要意义。

该研究工作得到了国家自然科学基金、吉林省科技发展计划项目及全国博士后管委会香江学者计划的资助。

全文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm1999