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具有内在面内各向异性性质的小分子有机单晶(SCs)能够直接发射线性偏振光，而不需要空间分离的偏振器和复杂的光学结构。然而，由于缺乏合适的SCs发射体以及构建高效SCs电致发光(EL)器件的困难，器件性能受到严重限制，导致通常小于1.5%的低外量子效率(EQE)。
在这项工作中，苏州大学张晓宏教授、张秀娟教授和中科院化学所董焕丽研究员等人通过利用2，6-二苯基蒽(DPA) SCs作为本征偏振发射体，展示了高效的固有线性偏振发光二极管(LP-LED)。LP-LED表现出3.38%的2.5倍增强的最大EQE，这接近DPA SCs基EL器件的理论极限，并且是迄今报道的基于SCs的有机发光二极管中最高的。更重要的是，对于DPA SC基LP-LED的固有偏振EL发射，实现了高达0.74的高偏振度(DOP)。通过利用高效的LP-LED，作者首次展示了一个由有机SCs组成的片间偏振光通信系统。这项工作为开发用于LP-LED的大规模新的小分子有机SCs库奠定了坚实的基础，并对偏振光学和相关的光电器件具有广泛的意义。该工作以题为“Highly Efficient Inherent Linearly Polarized Electroluminescence From Small-Molecule Organic Single Crystals”发表在《 Advanced Materials》上。
【DPA SCs的分子结构与表征】
图1. 分子结构与表征
作者选择了一种新的高迁移率发射型小分子有机半导体，2,6-二苯基蒽（DPA）（图1a）。它结合了高迁移率和强发射的两个优点。作者开发了一种恒体积慢冷却方法来生长薄DPA SCs。通过调整有机溶液的冷却速率，可以获得尺寸为0.1-2 mm 2、厚度为0.3-10 µm的层状DPA微孔片。图1b为典型的DPA微孔片，侧边长为~1 mm，厚度为~5 µm。规则的形状，光滑的表面和尖锐的边缘清楚地表明了SC的高结晶质量。作者评估了DPA SCs的各向异性晶体结构和光学性质。DPA微孔片具有完美单晶结构，具有高度有序的分子堆积。在紫外激发下，DPA SC表现出较强的荧光发射（见图1f）和较长的平均荧光寿命为8.55 ns，导致PLQY为47.6%。
【基于DPA SCs的高性能LP-LEDs】
图2. 基于DPA SCs的高性能LP-LEDs
作者开发了一种简单的液体-绝缘体桥接（LIB）策略来制造基于DPA SC的LP-LEDs。如图2a所示，首先将在氯苯溶液中生长的DPA微孔片转移到氧化铟锡（ITO）基底上。需要注意的是，多余的溶液被毛细管迅速吸出，以防止多余的小颗粒在微孔片表面成核，确保SC和ITO衬底之间的平面接触界面。优化的基于DPA SC的LP-LED具有优异的EL性能。作者观察到EL器件强烈而均匀的蓝色发射（图2d插图）。基于厚度~0.9 µm的DPA SC的器件的亮度-电流密度-EQE特性在图2d显示，在电流密度为60.19 mA cm −2下，最大亮度和EQE值分别为2427 cd m −2和3.38%，相应的最大电流效率确定为4.03 cd A −1。值得注意的是，EQE值正在接近基于DPA的器件的理论极限。可以设想，通过使用具有更高发光效率的新型有机晶体材料，如磷光和热激活延迟荧光（TADF）材料，可以大大提高器件的性能。为了对基于DPA SC的LP-LEDs的性能进行基准测试，作者将器件的EQE值与文献中具有代表性的基于有机SC的LEDs进行了比较（图2g）。值得注意的是，作者的LP-LED代表了基于SCs的有机LEDs的最先进性能。
【片间偏振光通信系统的开发】
图3. 偏振光发射研究
作者进一步研究了基于各向异性DPA SC的高性能LP-LED的极化EL特性。如图3a所示，该器件表现出明显的极化依赖性EL行为。器件的亮度随着偏振器的偏振角而逐渐增大。LP-LED的偏振角分辨EL谱如图3b所示被详细表征。当偏振角从0°到180°时，器件的EL峰值强度发生周期性变化。在45°、90°和135°的不同偏振角下测量的EL光谱的峰表现出强度的一致变化（图3c），说明所有的光跃迁具有相同的偏振依赖性。值得注意的是，薄膜器件显示出几乎各向同性的EL发射，与SCs器件的强极化EL发射形成鲜明对比。基于上述实验研究，作者提出了一个基于DPA SC的器件中极化EL的合理机制。如图3e所示，在LP-LED的运行过程中，电子和空穴可以分别从阴极和阳极电极有效地注入SC发射层，由于分子的长期有序堆积，形成有序的分子间激子。根据密度泛函理论（DFT）的计算，分子的聚集模式将极大地影响电子带结构的固有各向异性。
图4. 基于DPA SCs的片间偏振光通信系统
作为概念验证，作者实现了一个芯片间偏振光通信系统，该系统结合了基于DPA SCs的LP-LED和基于DPA SCs的线性偏振光电探测器（LP-PD）。图4a显示了实现光电转换的片间偏振光通信系统，该系统将电信号输入、偏振光产生、传播、检测和电信号输出集成在一个系统中。图4b说明了集成系统的设备配置和工作机制。基于DPA的LP-PD除了使用不同的功能层来促进光生成载流子的分离和传输，采用与LP-LED相同的LIB方法制备。图4c显示了LP-PD在几个周期内检测到的与偏振相关的输出电信号。作者得到了角度分辨光电流的稳定变化趋势，如图4e所示。作者利用具有各向异性的小分子有机SCs同时实现固有线性偏振信号发射和检测的策略，为开发紧凑的偏振光信号传输系统提供了新的途径。
总结，作者通过利用适当的小分子有机SCs发射器和开发一个简单的LIB策略成功构建了高效的本征LP-LEDs。基于DPA SCs的LP-LEDs表现出吸引人的EL性能，最大亮度和EQE分别为2427 cd m −2和3.38%，代表了迄今报道的小分子有机SCs基LEDs的最先进的性能。该工作代表了制造高性能有机SCs的本征LP-LEDs的重要一步，用于偏振光学和光电器件应用超越传统材料和方法。
来源：高分子科学前沿
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