由含碳材料制成的有機發光二極管(OLED)有望在未來帶來顯示器的技術革命，比如用它們制造出可折疊或者包裹在其他結構上的超薄低耗能顯示器。

傳統的液晶顯示器需要用到熒光燈或者傳統的發光二極管(LED)提供背景光源，而OLED則不需要背光照明。一個更大的科技突破是基于OLED的激光二極管，科學家們一直夢想制造有機激光器，但卻被有機材料的一些特性所限制而尚未實現，比如有機材料通常不能有效地在產生激光所需的高電流條件下工作。

近日，來自美國加州和日本的研究團隊的最新研究表明采用精細模式結構的OLED可制出明亮，低耗能的光源，這一發現使科學家們向有機激光器邁出了關鍵的一步，該研究成果本周被作為封面亮點發表在由美國物理聯合會出版的《應用物理快報》上。

研究人員表明，這項成果的關鍵之處在于將電荷傳輸和重組限制在納米量級區域，從而使電致發光效率滾降延伸到OLED效率急劇降低的電流密度之外--大約近兩個數量級。新的器件結構通過抑制發熱和防止電荷重組來實現這一點。

“抑制滾降的重要作用是提高器件在高亮度時的效率，”該文章的作者之一，日本九州大學(Kyushu University)的Chihaya Adachi說。“其結果是讓器件在低耗能的狀態下獲得同樣高的亮度。”

“多年來，致力于有機半導體的科學家們一直夢想著能夠制造出電動有機激光器，”文章另一位作者，美國加州大學圣芭芭拉分校(University of California, Santa Barbara)的Thuc-Quyen Nguyen說。“激光在極端條件下工作，其電流顯著地高于普通顯示器和照明設備中的電流。在高電流的條件下，能耗過程更加顯著，導致發射激光變得困難。”

“我們認為這項降低能耗過程的研究，向實現有機激光器邁進了一步。”Nguyen補充說。

OLED是如何工作的

OLED的工作原理是基于通過電子和空穴的相互作用。“舉個形象的例子，” Adachi說，“你可以把有機半導體想象成一列坐滿了乘客的地鐵。其中座位代表分子，而乘客代表高能粒子，也就是電子。當人們從地鐵的一端上車時，他們攜有附加的能量，并想要找個位置坐下來放松。與此同時，另一些乘客起身離座從地鐵的另一端下車，空出了一些位置或者叫做“空穴”可由站著的乘客填補。當站著的乘客坐下來放松時，他們會釋放原本攜帶的能量。對于OLED來說，也就是釋放出了光能。”

制造基于OLED的激光器需要高達每平方厘米幾千安培(kA/cm2)的電流密度，但直到今天，電流密度依然被熱作用所限制。“在高電流密度的條件下，亮度受制于湮滅過程，”Adachi 說。“你可以想象一下，這就好比地鐵上的乘客大量地彼此碰撞而失去能量，而不是坐下來釋放光能。”

在之前的工作中，Adachi和他的合作者展示了OLED在電流密度超過每平方厘米一安培(1 kA/cm2)時的性能，但沒達到激光和明亮照明所需的效率。在這次的文章中， 他們表明效率問題可以通過用電子束光刻制作出精細模式的OLED結構來解決。微小的器件面積可支持2.8 kA/cm2的電荷注入密度，同時維持比以前高100倍的發光效率。“在我們的器件結構中，我們有效地將出入口限制在地鐵的中部。這樣，乘客可以向不太擁擠的地鐵兩端擴散，由此減少了彼此的碰撞和湮滅。”