Optical Modulation on OLED
有机发光二极管（organic light-emitting diodes，OLED）仍面临一系列关键挑战，包括固有的光外耦合效率损失、长期工作稳定性不足、大尺寸面板制造良率偏低以及柔性化工艺瓶颈等，制约了其在更广阔场景下的应用。本研究针对OLED器件在高亮度下效率低和稳定性不佳的问题，以OLED性能衰减机制、偶极子辐射模型为指导，从激子自发辐射调控角度出发，提出超材料电极消除表面等离激元（SPP）损耗、超薄金属中间层加速激子辐射、超表面反射镜调控偏振特性等基于等离激元的光学调控方案，显著提升了OLED器件性能。
####（1）OLED性能衰减机制和光外耦合理论建模与实验验证
针对磷光OLED中的老化和效率滚降机制，构建了一个三重态激子湮灭定量模型。该模型纳入了单分子湮灭、三重态-极化子淬灭以及三重态-三重态湮灭等主要非辐射路径，揭示了激子产生速率与激子寿命对器件老化行为以及效率滚降的决定性影响规律。同时，研究进一步拓展了经典偶极子辐射理论模型，成功将其推广至具有光学各向异性的复杂介质环境中，为后续超材料在OLED中的应用奠定了理论基础。在实验验证方面，设计了包含红、绿、蓝三色磷光发光层的器件结构，分别与传统的Ag镜以及Ag/ZnSe/Ag复合光学结构集成。通过测量这些结构中发光层的激子寿命以及在持续激光激发条件下的发光寿命LT90（亮度衰减至初始亮度90%所需的时间），其结果与前述理论模型的计算预测高度一致，有力证实了所发展的激子动力学模型和偶极子辐射理论在磷光发光体系中的可靠性。
####（2）消除SPP模式提升底发射OLED效率 OLED结构中金属阴极/有机层界面激发的SPP模式，造成了较高的能量损耗，制约了器件效率的提升。针对这一难题，结合充分考量材料各向异性效应的拓展偶极子辐射模型与严格的导波理论，从理论上提出并严格论证了，在底发射OLED的有机发光层与金属阴极之间引入一层具有特定光学响应（即满足特定介电张量条件）的超材料层，可实现对SPP模式的完全消除。为验证理论的可行性，实验上设计了基于Ag/Si多层膜结构的棱镜耦合实验，观测到覆盖Ag/Si多层膜的Ag镜子表面的SPP模式被有效消除，为理论提供了直接的实验佐证。进一步的严格光学模拟计算表明，在优化设计的超材料层辅助下，底发射OLED器件的理论最大外耦合效率极限值可由传统的20% ~ 25%区间显著提升至36%。尤为重要的是，这种效率提升并未以牺牲发光均匀性为代价，器件的出光角度分布依然保持良好的朗伯分布特性。
####（3）SPP近场耦合增强OLED器件稳定性
基于对金属薄膜间近场能量转移机制的深入分析，发现引入超薄金属镁（Mg）中间层可有效促进激子能量向等离激元模式的高效转移，从而提供了一种调控激子寿命的新手段。据此，提出在器件的电子传输层内部嵌入0.3 nm的Mg中间层，并通过调节Mg层与非掺杂发光层之间的物理间距，实现对激子与Mg诱导的等离激元模式之间耦合强度的调控。 由于Mg金属具有相对较浅的费米能级，几乎不影响器件的关键电学性能。而在稳定性方面，当Mg层与EML的距离优化至10 nm和15 nm时，器件的LT90寿命均获得了70%左右的显著提升。同时，器件在高电流密度下的效率滚降现象也得到了明显的抑制。
####（4）光学超表面调控顶发射OLED偏振发光特性
针对显示等应用中外置偏振片带来的超过50%的光学损耗，提出一种不依赖特定发光材料的本征线偏振光输出方案。利用纳米条纹超表面反射镜对特定偏振入射光激发间隙SPP的特性，通过改变条纹深度来调控正交偏振方向的反射相位差，选择性增强特定取向偶极子的辐射，同时抑制其正交取向偶极子的辐射，从而定向调控发光层的本征偏振辐射特性。仿真验证表明，该方案可实现高效线偏振光输出，器件发光经线偏振片后的效率较传统结构提升36.7%，且大视角下的色偏问题得到显著改善。
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