Fluolab【Nat.Photon.】解锁超亮近红外之光：深度解读高效有机发光二极管（OLED）的革命性突破
您好！今天我们将一同深入探索一篇于2025年5月13日发表在顶级期刊《自然·光子学》（Nature Photonics）上的重磅研究文章，题为《超高亮度近红外有机发光二极管》。 这项工作不仅刷新了多项技术记录，更可能为夜视、生物医学成像乃至有机激光等前沿领域带来颠覆性的变革。
一、 背景：我们为什么需要更亮的“隐形”光？
在日常生活中，我们熟悉的光大多是可见光，即赤橙黄绿青蓝紫。但在光谱上，紧挨着红光之外，存在着一种人眼看不见的光——近红外光（Near-Infrared, NIR）。这种“隐形”的光具有非凡的潜力：
医疗透视：近红外光能够穿透皮肤和生物组织，让我们在不切开身体的情况下，清晰地观察到皮下的血管、器官的运作，甚至帮助医生更精准地进行手术导航。
夜间安防：由于人眼看不见它，使用近红外光作为照明源，配合特定的摄像头，可以在完全黑暗的环境中清晰地监控，而不会暴露目标。
智能设备：从手机的面部识别到各种生物传感器，近红外光都扮演着关键角色。
为了实现这些应用，科学家们一直在努力制造高效、明亮的近红外光源。其中，**有机发光二极管（OLED）**技术备受瞩目。相比于传统的无机LED（如我们家用的照明灯），OLED具有轻薄、可弯曲、成本低、发光颜色可调等巨大优势。
然而，近红外OLED的发展一直面临一个核心难题——“效率滚降”（Efficiency Roll-off）。 这就像一个调得越亮就越“浪费”的灯泡：当你试图通过加大电流来让它变得更亮时，它的发光效率会急剧下降，大部分能量没有转化为光，而是变成了无用的热量，这严重限制了其实际应用。
这篇论文的核心，就是为了解决这个“越亮越笨”的世纪难题。
二、 核心突破：一种“聪明”的新材料如何改写游戏规则
为了攻克效率滚降的难题，研究团队开发并利用了一种特殊的有机半导体材料。这种材料属于“受体-给体-受体”（A-D-A）结构家族，论文中重点研究的分子名为BTA3。 它的“聪明”之处在于，它从根本上改变了OLED内部能量的运作方式。
要理解它的工作原理，我们需要做一个生动的比喻：
1. OLED内部的“能量舞会”
想象一下，OLED材料内部是一个巨大的舞池。当我们通上电时，电流就像源源不断的宾客，在舞池中形成了许多对“舞者”，这些“舞者”在科学上被称为**“激子”（Exciton）**。它们携带能量，是发光的潜在来源。
这些“舞者”分为两种：
- 单线态激子（Singlet）：它们是天生的“明星舞者”，非常活跃，能直接通过舞蹈（复合）释放能量，发出光子，也就是我们看到的光。不幸的是，它们数量较少，通常只占总数的25%。
- 三线态激子（Triplet）：它们是“沉默的舞者”，数量占了绝大多数（75%），但天性“懒惰”，无法直接发光。更糟糕的是，它们的“寿命”很长，会在舞池里游荡很久。
2. “效率滚降”的罪魁祸首：拥挤舞池里的“能量杀手”
当电流增大，舞池里的“舞者”（激子）密度急剧升高时，混乱就发生了，这就是效率滚降的微观原因：
单线态-三线态湮灭（STA）：这是最主要的“杀手”。 一个想要发光的“明星舞者”（单线态），撞上了一个在舞池里闲逛的“沉默舞者”（三线态），结果“明星舞者”的能量被抢走，无法发光就消失了。由于“沉默舞者”寿命长、数量多，这种碰撞在高电流下极其频繁。
单线态-单线态湮灭（SSA）：舞池过于拥挤，两个“明星舞者”自己撞在了一起，结果双双能量耗尽，也没能发光。
三线态-三线态湮灭（TTA）：两个“沉默舞者”相撞，通常也是浪费能量。
3. BTA3材料的“神奇魔法”
研究团队所使用的BTA3材料，巧妙地解决了上述问题，尤其是在遏制最主要的“杀手”STA方面取得了巨大成功：
魔法一：让“沉默舞者”短命化
研究发现，BTA3分子的特殊结构使得“沉默舞者”（三线态）的能量状态很低。 根据“能量差定律”，能量越低，它就越容易通过非发光的方式（比如振动产热）快速消失。 这导致BTA3中的三线态激子寿命极短，仅为约0.13微秒。 它们刚一形成就迅速离开了舞池，从而大大减少了与“明星舞者”碰撞的机会。因此，单线态-三线态湮灭（STA）过程被极大地抑制了，几乎可以忽略不计。
魔法二：变废为宝的“三线态融合”
更令人惊喜的是，BTA3材料中的三线态-三线态湮灭（TTA）过程展现出了积极的一面。 在这种材料中，当两个“沉默舞者”相撞时，它们不再是简单地浪费能量，而是有几率“融合”并产生一个新的、能够发光的“明星舞者”（单线态）。 这相当于一个能量回收机制，在高电流下，这个过程能将大量本应浪费的“三线态”能量重新转化为可发光的“单线态”能量，进一步提升了器件在高亮度下的效率。
总而言之，通过**“快速清除三线态”和“将三线态变废为宝”**这两大策略，BTA3材料从根本上解决了效率滚降的核心问题，使得OLED在高功率下依然能保持高效发光。
三、 惊人的成果：刷新多项世界纪录
在这款“聪明”材料的加持下，研究团队制造出的近红外OLED展现出了前所未有的卓越性能：
1. 极致的亮度与效率稳定性
超高亮度：在持续通电模式下，其最大亮度超过了2,000 W sr⁻¹m⁻²；在脉冲通电模式下，亮度更是达到了惊人的46,700 W sr⁻¹m⁻²。 这是什么概念？它足以媲美甚至超越目前最顶尖的钙钛矿和量子点LED。
极小的效率滚降：衡量效率滚降的关键指标是
$J_{50}$，即效率下降到峰值一半时所对应的电流密度。这个值越大，说明器件在高功率下的效率维持能力越好。该器件的$J_{50}$值高达59.2 A/cm² 23，比以往报道的任何类型的近红外LED（通常在0.01-10 A/cm²范围内）高出至少一个数量级。超宽工作范围：该OLED的效率在从
$10^{-4}$到$10^2 A/cm^2$的、横跨六个数量级的巨大电流范围内都能保持稳定，这再次证明了其极低的效率滚降特性。
2. 出色的工作寿命
在高亮度下工作，寿命同样至关重要。这款器件在100 W sr⁻¹m⁻²的高亮度下，半衰期（亮度降为初始一半的时间）长达35小时 26，是同等条件下钙钛矿近红外LED寿命（约5小时）的7倍 27，极大地推动了近红外OLED的实用化进程。
3. 迈向终极目标：电驱动有机激光
激光的产生需要极高的激子密度。研究团队发现，得益于高效的能量转化，他们的器件在1,000 A/cm²的电流下，内部的“明星舞者”（单线态）密度可以超过$10^{16} cm^{-3}$。 理论计算表明，这个密度已经达到了产生激光的门槛。
他们通过光泵浦实验（用外部激光器激发材料）进一步验证了其激光潜力，发现BTA3材料的激光阈值（ASE threshold）仅为1.36 µJ/cm²，是迄今为止报道的红光/近红外有机材料中最低的之一 30303030，这使其成为制造电驱动有机激光器的极具希望的候选者。 研究指出，目前阻碍其实现电驱动激光的主要障碍是超高密度下的单线态-单线态湮灭（SSA）过程。
四、 应用展示：从生物成像到夜视科技
除了刷新记录，研究团队还展示了这项技术在多个领域的巨大应用潜力，真正做到了“顶天立地”：
生物医学成像：他们制作了面积达10平方厘米的大面积柔性OLED光源。 将其贴在手指上，可以清晰地看到皮下的血管分布 34；用它照射活体非洲爪蟾，其体内的心脏、胃等主要器官清晰可见。 这一切都是在无创、无毒、使用方便的条件下实现的。
可穿戴设备：由于OLED可以制作在柔性基底上，他们展示了一款可贴在手指上的OLED贴片，未来可用于实时监测生命体征并将数据无线传输出来。
夜视与安防：在一个全黑的会议室里，仅靠一块由BTA3材料制成的近红外OLED面板照明，夜视相机就拍摄到了清晰明亮的画面，展示了其作为隐形照明源的巨大潜力。
五、 总结与展望
这篇论文无疑是OLED领域，特别是近红外OLED研究的一个里程碑。
核心贡献：通过使用一种精心设计的A-D-A型有机分子（BTA3），巧妙地调控了OLED内部的激子动力学过程，即极大地缩短了三线态激子的寿命以避免能量损失，并利用三线态-三线态湮灭过程回收能量 39，从而革命性地解决了长期困扰业界的“效率滚降”难题。
重大意义：该研究不仅创造了亮度、效率稳定性和寿命等多项新纪录，将近红外OLED的综合性能提升到了一个全新的高度 41，还通过实际应用展示了其在生物成像、可穿戴设备和夜视技术等方面的广阔前景。
未来方向：这项工作为实现最终梦想——电泵浦有机半导体激光器——铺平了道路。 未来的研究重点将是如何进一步抑制在极限电流密度下的单线态-单线态湮灭（SSA）过程，从而迈出实现有机激光的“临门一脚”。
总而言之，这项激动人心的研究，让我们距离一个由轻薄、柔性、高效的有机材料点亮的“近红外新视界”更近了一步。
参考文献
Liu, W., Deng, W., Wang, W. et al. Ultrahigh-radiance near-infrared organic light-emitting diodes. Nat. Photon. 19, 650–657 (2025). https://doi.org/10.1038/s41566-025-01674-5