具有內(nèi)在面內(nèi)各向異性性質(zhì)的小分子有機(jī)單晶(SCs)能夠直接發(fā)射線性偏振光，而不需要空間分離的偏振器和復(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)。然而，由于缺乏合適的SCs發(fā)射體以及構(gòu)建高效SCs電致發(fā)光(EL)器件的困難，器件性能受到嚴(yán)重限制，導(dǎo)致通常小于1.5%的低外量子效率(EQE)。

在這項(xiàng)工作中，蘇州大學(xué)張曉宏教授、張秀娟教授和中科院化學(xué)所董煥麗研究員等人通過利用2，6-二苯基蒽(DPA) SCs作為本征偏振發(fā)射體，展示了高效的固有線性偏振發(fā)光二極管(LP-LED)。LP-LED表現(xiàn)出3.38%的2.5倍增強(qiáng)的最大EQE，這接近DPA SCs基EL器件的理論極限，并且是迄今報(bào)道的基于SCs的有機(jī)發(fā)光二極管中最高的。更重要的是，對(duì)于DPA SC基LP-LED的固有偏振EL發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)0.74的高偏振度(DOP)。通過利用高效的LP-LED，作者首次展示了一個(gè)由有機(jī)SCs組成的片間偏振光通信系統(tǒng)。這項(xiàng)工作為開發(fā)用于LP-LED的大規(guī)模新的小分子有機(jī)SCs庫奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并對(duì)偏振光學(xué)和相關(guān)的光電器件具有廣泛的意義。該工作以題為“Highly Efficient Inherent Linearly Polarized Electroluminescence From Small-Molecule Organic Single Crystals”發(fā)表在《Advanced Materials》上。

【DPA SCs的分子結(jié)構(gòu)與表征】

圖1. 分子結(jié)構(gòu)與表征

作者選擇了一種新的高遷移率發(fā)射型小分子有機(jī)半導(dǎo)體，2,6-二苯基蒽（DPA）（圖1a）。它結(jié)合了高遷移率和強(qiáng)發(fā)射的兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。作者開發(fā)了一種恒體積慢冷卻方法來生長薄DPA SCs。通過調(diào)整有機(jī)溶液的冷卻速率，可以獲得尺寸為0.1-2 mm2、厚度為0.3-10 μm的層狀DPA微孔片。圖1b為典型的DPA微孔片，側(cè)邊長為~1 mm，厚度為~5 μm。規(guī)則的形狀，光滑的表面和尖銳的邊緣清楚地表明了SC的高結(jié)晶質(zhì)量。作者評(píng)估了DPA SCs的各向異性晶體結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。DPA微孔片具有完美單晶結(jié)構(gòu)，具有高度有序的分子堆積。在紫外激發(fā)下，DPA SC表現(xiàn)出較強(qiáng)的熒光發(fā)射（見圖1f）和較長的平均熒光壽命為8.55 ns，導(dǎo)致PLQY為47.6%。

【基于DPA SCs的高性能LP-LEDs】

圖2. 基于DPA SCs的高性能LP-LEDs

作者開發(fā)了一種簡單的液體-絕緣體橋接（LIB）策略來制造基于DPA SC的LP-LEDs。如圖2a所示，首先將在氯苯溶液中生長的DPA微孔片轉(zhuǎn)移到氧化銦錫（ITO）基底上。需要注意的是，多余的溶液被毛細(xì)管迅速吸出，以防止多余的小顆粒在微孔片表面成核，確保SC和ITO襯底之間的平面接觸界面。優(yōu)化的基于DPA SC的LP-LED具有優(yōu)異的EL性能。作者觀察到EL器件強(qiáng)烈而均勻的藍(lán)色發(fā)射（圖2d插圖）?；诤穸葉0.9 μm的DPA SC的器件的亮度-電流密度-EQE特性在圖2d顯示，在電流密度為60.19 mA cm?2下，最大亮度和EQE值分別為2427 cd m?2和3.38%，相應(yīng)的最大電流效率確定為4.03 cd A?1。值得注意的是，EQE值正在接近基于DPA的器件的理論極限?？梢栽O(shè)想，通過使用具有更高發(fā)光效率的新型有機(jī)晶體材料，如磷光和熱激活延遲熒光（TADF）材料，可以大大提高器件的性能。為了對(duì)基于DPA SC的LP-LEDs的性能進(jìn)行基準(zhǔn)測試，作者將器件的EQE值與文獻(xiàn)中具有代表性的基于有機(jī)SC的LEDs進(jìn)行了比較（圖2g）。值得注意的是，作者的LP-LED代表了基于SCs的有機(jī)LEDs的最先進(jìn)性能。

【片間偏振光通信系統(tǒng)的開發(fā)】

圖3. 偏振光發(fā)射研究

作者進(jìn)一步研究了基于各向異性DPA SC的高性能LP-LED的極化EL特性。如圖3a所示，該器件表現(xiàn)出明顯的極化依賴性EL行為。器件的亮度隨著偏振器的偏振角而逐漸增大。LP-LED的偏振角分辨EL譜如圖3b所示被詳細(xì)表征。當(dāng)偏振角從0°到180°時(shí)，器件的EL峰值強(qiáng)度發(fā)生周期性變化。在45°、90°和135°的不同偏振角下測量的EL光譜的峰表現(xiàn)出強(qiáng)度的一致變化（圖3c），說明所有的光躍遷具有相同的偏振依賴性。值得注意的是，薄膜器件顯示出幾乎各向同性的EL發(fā)射，與SCs器件的強(qiáng)極化EL發(fā)射形成鮮明對(duì)比?；谏鲜鰧?shí)驗(yàn)研究，作者提出了一個(gè)基于DPA SC的器件中極化EL的合理機(jī)制。如圖3e所示，在LP-LED的運(yùn)行過程中，電子和空穴可以分別從陰極和陽極電極有效地注入SC發(fā)射層，由于分子的長期有序堆積，形成有序的分子間激子。根據(jù)密度泛函理論（DFT）的計(jì)算，分子的聚集模式將極大地影響電子帶結(jié)構(gòu)的固有各向異性。

圖4. 基于DPA SCs的片間偏振光通信系統(tǒng)

作為概念驗(yàn)證，作者實(shí)現(xiàn)了一個(gè)芯片間偏振光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了基于DPA SCs的LP-LED和基于DPA SCs的線性偏振光電探測器（LP-PD）。圖4a顯示了實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的片間偏振光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)將電信號(hào)輸入、偏振光產(chǎn)生、傳播、檢測和電信號(hào)輸出集成在一個(gè)系統(tǒng)中。圖4b說明了集成系統(tǒng)的設(shè)備配置和工作機(jī)制?；贒PA的LP-PD除了使用不同的功能層來促進(jìn)光生成載流子的分離和傳輸，采用與LP-LED相同的LIB方法制備。圖4c顯示了LP-PD在幾個(gè)周期內(nèi)檢測到的與偏振相關(guān)的輸出電信號(hào)。作者得到了角度分辨光電流的穩(wěn)定變化趨勢，如圖4e所示。作者利用具有各向異性的小分子有機(jī)SCs同時(shí)實(shí)現(xiàn)固有線性偏振信號(hào)發(fā)射和檢測的策略，為開發(fā)緊湊的偏振光信號(hào)傳輸系統(tǒng)提供了新的途徑。

總結(jié)，作者通過利用適當(dāng)?shù)男》肿佑袡C(jī)SCs發(fā)射器和開發(fā)一個(gè)簡單的LIB策略成功構(gòu)建了高效的本征LP-LEDs?；贒PA SCs的LP-LEDs表現(xiàn)出吸引人的EL性能，最大亮度和EQE分別為2427 cd m?2和3.38%，代表了迄今報(bào)道的小分子有機(jī)SCs基LEDs的最先進(jìn)的性能。該工作代表了制造高性能有機(jī)SCs的本征LP-LEDs的重要一步，用于偏振光學(xué)和光電器件應(yīng)用超越傳統(tǒng)材料和方法。