科學家採用電子和頻產生光譜法研究有機發光二極體中的電荷傳輸機制。高解析度全彩顯示設備，例如可折疊智慧型手機和超薄電視，都依賴有機發光二極體(OLED)。與其他顯示技術相比，OLED 具有獨特的優勢，包括柔韌性、自發光、輕量化結構、超薄外形、高對比度和低壓工作。這些特性使得OLED 近年來越來越具有吸引力。

為了延長OLED裝置的壽命和效率，了解裝置內部不同介面的電荷行為至關重要。千葉大學的宮前隆之教授及其團隊利用電子和頻產生光譜法，了解OLED元件內部不同界面的電荷行為和振動結構。圖片來源：Ka Kit Pang，來自維基共享資源

OLED 由位於兩個電極之間的多層超薄有機薄膜組成。每層在裝置的運作中都發揮著特定的作用。施加電壓後，電荷會在這些有機層之間的界面處累積並發光。雖然多層結構可以精確控制電荷累積、電荷傳輸和光的產生，但實現OLED 功能的這些過程本身也會隨著時間的推移導致有機層性能下降。這種性能下降會限制OLED 裝置的壽命和效率。

了解這些介面上的電子結構在工作過程中的行為方式仍然是一項重大挑戰。為了解決這個問題，日本千葉大學的鏑木達也、宮前貴之教授與和森本一典博士合作，採用了一種稱為和頻生成（SFG）的二階非線性光譜法。這項技術使他們能夠研究OLED運行過程中界面的振動和電子特性，從而為其在實際條件下的行為提供新的見解。

當電壓施加到OLED系統時，光會透過有機界面處的電荷複合而發射出來。這會改變SFG的輸出，使研究人員能夠研究電荷如何積累，以及在不同工作條件下界面處發生的電子結構變化。該團隊於2025年3月10日在著名的《材料化學雜誌C》上在線發表了這項用於研究OLED內部電荷行為的非破壞性創新光譜技術。

本研究採用了三種不同的多層OLED，它們具有不同的有機層類型和組合。對這三種OLED元件進行了電子場強光柵（ESFG）光譜分析，以探討界面電荷行為和電子結構引起的光譜變化。 「我們基於ESFG光譜對施加電壓的依賴性，研究了OLED裝置內部電場強度的差異。這首次闡明了場強差異對內部電荷流動順暢度和發光特性的影響，」宮前教授在談到該團隊的研究時解釋道。

透過比較三個OLED裝置的吸收光譜和層結構，確定了每個有機層對應的ESFG光譜帶。研究人員觀察到在OLED裝置上施加電壓時光譜訊號強度的變化，這與OLED內部電場和電荷行為的變化有關。

施加電壓後，電洞傳輸材料（OLED內部的正電荷載子）吸收帶處的光譜訊號強度增加，而發光層吸收帶處的訊號強度降低。這顯示OLED內部有機層間的內部電荷流動存在差異，導致光譜改變。

該團隊還在這些裝置上施加了方波脈衝電壓，以研究裝置內部形成的電場如何隨時間變化。他們發現，添加BAlq（一種用於OLED電子傳輸的材料）會改變OLED中光發射的位置。這種發射位置的變化會影響發射光的顏色和形狀，以及裝置將電能轉換為光能的效率。

研究人員在談到這項創新研究工作時指出：“ESFG 技術代表了一種新穎、高效、非破壞性、非侵入性的光譜方法，用於檢查固態薄膜裝置中註入電荷引起的電場產生。”

借助這項技術，材料科學家現在可以設計出具有更長裝置壽命、更高能源效率和更低成本的OLED，最終擴大超薄有機器零件在日常生活中的應用。 「此外，這項研究可以大大縮短和簡化材料開發研究，目前這些研究需要反覆試驗和長時間的退化驗證來評估裝置的效率和壽命，」宮前教授補充道。

編譯自/ ScitechDaily