柔性OLED实现重大突破

采用2D材料的显示屏伸展200%时仍可保持亮度。

长期以来，开发可穿戴显示屏的工程师们都在寻求能弯曲、扭转、拉伸，同时还能保持稳定亮度的OLED屏幕。这类显示屏可集成至新型设备（例如织入衣物纤维）中，实时显示跑步者速度或心率等动态信息，而不致断裂或变暗。

不过，工程师始终面临取舍难题，因为材料会越拉伸越暗。而美国费城德雷塞尔大学的材料科学家尤里·戈戈齐（Yury Gogotsi）联合领导的团队找到了解决方法，他们采用了名为MXene的特殊材料。2011年，戈戈齐为该材料的发现贡献了自己的力量。借助MXene，该团队开发了拉伸至原尺寸2倍仍可稳定发光的OLED，并且其电光转换效率超越了此前所有的可拉伸OLED。

大约5年前，戈戈齐开始与韩国首尔大学材料科学家李泰宇（Tae-Woo Lee）合作，但他当时并没有太多有关OLED的经验。可折叠手机等柔性电子设备的迅速发展推动李泰宇开发更好的柔性OLED。

过去，显示屏由夹在玻璃基板间的多层堆叠结构组成。在底层，阴极会注入电子，使其进入相邻的有机层，这些有机层的设计旨在高效地传导电荷。电子在这些材料层中移动时会与氧化铟锡（ITO）薄膜产生的正电荷相遇。正负电荷结合的瞬间，有机材料会以光的形式释放能量，点亮最终构成图像的像素。整个结构顶部用玻璃层密封。

附在玻璃上的ITO薄膜充当了透明阳极，因此电流能进入有机层而不阻挡产生的光线。“但它本质上是易碎陶瓷材料。”戈戈齐表示，因此虽然适用于平面基板，却无法弯曲。

为了寻找可代替ITO薄膜的可拉伸材料，戈戈齐的学生团队开始使用MXene制造透明的导电薄膜。MXene是一种超薄柔性材料，且具备类似于金属的导电性。其独特优势在于它本身可以弯曲，因为它由许多2D薄片堆叠而成，薄片间可相对滑动而不断裂。这种薄膜仅10纳米厚，“似乎是ITO的理想替代品”，戈戈齐说。

通过实验，戈戈齐与李泰宇的联合团队发现，MXene和银纳米线复合物可实现最大拉伸幅度并保持稳定性。“我们成功使尺寸翻倍，达到了200%的拉伸率且不降低性能。”戈戈齐表示。

通过使顶层发光有机层与新型MXene薄膜更充分地接触，团队将此薄膜的柔韧性和亮度提升了近一个数量级（相较于ITO）。

这是由于MXene的表面与ITO不同，其表面可进行化学调整，更易于电子从电极注入发光层。这种更高效的电子流动显著增强了显示屏亮度，17%的外量子效率（衡量设备将电转换为光的效率的指标）就是有力的证据。该团队称这一数字创下了可拉伸OLED领域的新纪录。

“在本征可拉伸OLED中实现这些数字意义重大。”韩国科学技术院（KAIST）集成有机电子实验室负责人柳成赫（Seunghyup Yoo）指出。他解释称，20%的外量子效率是该类设备的重要基准，因为这是物理规律决定的效率上限。

为了提升发光效率，研究团队还探索了MXene以外的材料。李泰宇团队还在OLED中间层额外设计了两层有机薄膜：一层引导正电荷流向发光层以确保电能高效利用；另一层回收通常会耗散的能量，实现整体亮度提升。

在MXene导电层和两个有机层的协同作用下，即使在拉伸状态，OLED仍能保持显著的亮度与稳定性。戈戈齐认为这项成果“极为成功”，因为它同时实现了亮度和可拉伸性，而过去工程师们往往只能追求其中之一。

“他们在这项工作中实现的性能是一项重要进步。”芝加哥大学分子工程师王思泓评价道。王思泓也在研究可拉伸OLED材料，他指出，戈戈齐团队实现的200%拉伸率已超越可穿戴应用的实际需求。

戈戈齐指出，除了可穿戴设备外，能保持亮度的可拉伸OLED在通信、工业制造及机器人等领域也有广泛的应用前景，但他最看好其在健康监测设备中的应用。他预见，在不久的将来，用于诊断和治疗的显示屏可以嵌在衣物中，或作为“表皮电子器件”使用。

不过王思泓认为，在这类显示屏面市前，需攻克所有可拉伸OLED共有的稳定性难题。现有材料还无法长时间发光以持续显示图像。

为这类OLED寻找防护包装同样是个问题。“需要一种可拉伸的封装材料，既保护核心设备，又阻隔氧气和水分渗透。”王思泓指出。

柳成赫也认同这是一个棘手的问题，因为最佳保护层是刚性的，且缺乏可拉伸性。他指出，开发不会造成图像畸变的可拉伸显示屏是商业化进程中的另一大挑战。

尽管如此，戈戈齐仍对可拉伸OLED的未来充满期待。“我们从大到占据整个房间的计算机开始，发展到台式机、笔记本电脑，继而迎来智能手机和iPad，但这些设备仍然需要另行携带。”他表示，“柔性显示屏则可以缝在衣袖上，或者卷曲成筒状或折叠后收入口袋。它们将无处不在。”