1. 引言
有机发光二极管（OLED）代表了光电子学领域的一项变革性技术，已成为全彩显示和环保照明的领先解决方案。自邓青云和Van Slyke于1987年的开创性工作以来，凭借其卓越的色彩品质、宽视角、柔性和无汞制造工艺，OLED技术取得了显著发展。本综述综合了材料、器件物理和工程策略方面的最新进展，描绘了从基础研究到商用智能照明与显示应用的发展路径。
2. 发光机制
OLED的效率从根本上取决于电致发光材料将电能转化为光的能力。目前研究主要围绕三种机制展开。
2.1 荧光
传统荧光利用单重态激子，但其最大内量子效率（IQE）被限制在25%，因为根据自旋统计，电致激子中只有25%是单重态。
2.2 磷光
磷光OLED（PHOLED）采用重金属配合物（如铱、铂）促进系间窜越，同时捕获单重态和三重态激子。这可以实现高达100%的IQE，但通常以高亮度下的效率滚降和材料成本为代价。
2.3 热激活延迟荧光（TADF）
TADF材料通过使单重态和三重态之间的能隙（$\Delta E_{ST}$）很小，从而实现反向系间窜越（RISC），无需重金属即可达到100% IQE。RISC速率（$k_{RISC}$）至关重要，其表达式为：$k_{RISC} \propto \exp(-\Delta E_{ST}/kT)$。
3. 器件结构
优化有机层堆叠对于平衡电荷注入、传输、复合和光取出至关重要。
3.1 传统结构
基本结构包括：阳极（ITO）/ 空穴注入层（HIL）/ 空穴传输层（HTL）/ 发光层（EML）/ 电子传输层（ETL）/ 阴极。每个界面的能级对齐对于最小化注入势垒至关重要。
3.2 叠层OLED
叠层结构通过电荷生成层（CGL）将多个电致发光单元串联起来。这种结构在给定电流密度下倍增亮度，显著提高了器件寿命和效率。总电压大致等于各单元电压之和。
3.3 堆叠与微腔结构
精确控制层厚可以产生微腔效应，增强特定方向和波长的光发射，这对显示像素尤其有益。
4. 光提取策略
一个主要瓶颈是由于有机层/ITO/玻璃界面处的全内反射，导致约50-80%的生成光被捕获在器件内部。
4.1 内部光捕获
光子以有机层/ITO层内的波导模式和玻璃内的衬底模式损失。耦合到每种模式的光的比例取决于折射率：$n_{org} \approx 1.7-1.8$，$n_{ITO} \approx 1.9-2.0$，$n_{glass} \approx 1.5$。
4.2 外部提取技术
策略包括：
- 散射层：漫反射表面或嵌入散射粒子。
- 微透镜阵列：附着在衬底上以增大逃逸锥角。
- 图案化衬底/内部结构：布拉格光栅或光子晶体，用于重定向捕获的光。
5. 柔性OLED与透明电极
显示的未来在于柔性。这取决于开发坚固、柔性的透明导电电极（FTCE）以替代脆性的氧化铟锡（ITO）。有前景的替代方案包括：
- 导电聚合物：PEDOT:PSS，电导率可调，但存在环境稳定性问题。
- 金属纳米线网格：银纳米线具有高导电性和柔韧性，但可能存在雾度和粗糙度问题。
- 石墨烯与碳纳米管：优异的机械性能，但大规模制备均匀、高导电性薄膜具有挑战性。
- 超薄金属膜：超薄银或银基复合材料，搭配介质层用于抗反射。
6. 应用与商业化
6.1 固态照明
OLED面板为建筑和特种照明提供漫射、无眩光、可调的白光。关键指标是发光效率（lm/W）、显色指数（高质量照明要求CRI > 90）和寿命（LT70 > 50,000小时）。
6.2 显示技术
OLED主导高端智能手机市场，并在电视、笔记本电脑和汽车显示屏领域不断推进。其优势包括完美的黑色水平（无限对比度）、快速响应时间以及形态自由度（柔性、可卷曲、透明）。
7. 未来展望
本综述指出了关键挑战：进一步提高蓝色发光材料的寿命、降低制造成本（尤其是大尺寸）、以及开发用于长寿命柔性器件的封装技术。将OLED与传感器和电路集成以实现“智能”交互表面是一个前景广阔的前沿领域。
8. 原创分析与专家评论
核心见解：OLED领域正处于一个关键的转折点，正从以显示为中心的技术转变为下一代以人为本的照明和智能表面的基础平台。真正的竞争已不仅仅是色彩纯度或效率，而是系统级集成和制造经济性。
逻辑脉络：Zou等人正确地追溯了从材料（TADF作为一条经济高效的100% IQE路径）到器件光学（解决光提取问题）再到形态（柔性）的演变。然而，该综述低估了面向大面积显示和照明的溶液加工（如喷墨打印）的重大转变，这一趋势已被Kateeva和JOLED等公司所强调。正如IDTechEx和OLED协会报告所指出的，行业的重心正转向降低单位亮度成本并实现新形态，而不仅仅是追求峰值EQE。
优势与不足：本文的优势在于其整体视角，将基础物理与工程联系起来。一个显著的缺陷（在学术综述中很常见）是对可靠性与退化机制的讨论极少。对于商业化而言，10,000小时内亮度下降5%（LT95）比峰值效率提高5%更具实际意义。“绿光效率鸿沟”和蓝色发光材料的稳定性——尤其是TADF材料——仍然是其致命弱点，这一点在Adachi等人的工作中已有广泛记载。
可操作的见解：对于投资者和研发管理者：1）押注TADF和混合材料：未来是基于无金属或最少金属的系统，以实现成本和可持续性目标。2）将光提取作为倍增因子来关注：光提取效率提高2倍可以改善所有器件指标，并且通常比开发新发光材料成本更低。3）超越显示领域：未来5年OLED的高价值利基市场在于生物医学设备（可穿戴光疗）、汽车内饰（共形照明）以及用于航空航天的超薄、轻质照明。与钙钛矿LED（PeLED）研究的融合，正如剑桥大学Richard Friend教授团队等机构的并行工作所示，预示着有机-无机混合系统的未来，这可能最终打破通用照明在成本与性能之间的壁垒。
9. 技术细节与实验结果
关键公式 - 外量子效率（EQE）：器件的整体效率由下式给出： $$EQE = \gamma \times \eta_{r} \times \Phi_{PL} \times \eta_{out}$$ 其中$\gamma$是电荷平衡因子，$\eta_{r}$是激子形成比率（荧光为25%，磷光/TADF约为100%），$\Phi_{PL}$是发光材料的光致发光量子产率，$\eta_{out}$是光取出效率（通常为20-30%）。
实验结果与图表描述：该综述引用了达到以下水平的先进器件：
- 绿色TADF OLED：EQE > 35%，CIE坐标接近（0.30， 0.65）。
- 蓝色磷光OLED：在1000 cd/m²亮度下，LT70（亮度衰减至初始值70%的时间）超过500小时，EQE约25%。这仍然是显示应用的关键基准。
- 柔性白光OLED：对于照明，已在PET衬底上展示了发光效率为80 lm/W、CRI为85的柔性器件，展示了向卷对卷制造迈进的进展。
10. 分析框架与案例研究
框架：OLED技术就绪度与价值矩阵
为了评估任何OLED进展，我们提出一个双轴框架：
- X轴：技术就绪度等级（TRL 1-9）：从基础研究（TRL 1-3）到商业产品（TRL 9）。
- Y轴：价值乘数：对系统成本、性能或新市场创造的潜在影响（低/中/高）。
案例研究：应用该框架
技术：银纳米线（AgNW）柔性电极。
分析：
- TRL：7-8。已被多家公司集成到原型柔性显示和照明面板中。
- 价值乘数：高。实现了柔性的核心特性，减少了对稀缺元素铟的依赖，并且与低温、卷对卷加工兼容，降低了制造成本。
- 结论：一个高优先级的开发领域。主要障碍不是基础性的，而是工程性的：提高在弯曲和湿度下的长期稳定性，以及降低电极粗糙度以防止器件短路。
11. 未来应用与方向
- 生物集成光电子学：用于植入式或可穿戴光疗设备的超薄柔性OLED，例如用于黄疸或季节性情感障碍的靶向治疗。
- 透明与交互表面：兼具显示或光源功能的窗户，以及具有无缝、共形照明和信息显示的汽车仪表板。
- 神经形态显示/照明：将OLED与薄膜传感器和处理器集成，创建能根据居住者昼夜节律或任务自适应调节色温和亮度的表面，超越静态的“智能”，迈向真正响应的环境。麻省理工学院媒体实验室和Holst中心等机构正在引领该领域的研究。
- 可持续制造：一个主要的未来方向是开发使用绿色溶剂的、完全溶液加工的、卷对卷制造的OLED，以降低大面积照明应用的成本和环境影响。
12. 参考文献
- Tang, C. W. & VanSlyke, S. A. Organic electroluminescent diodes. Appl. Phys. Lett. 51, 913 (1987). （奠基性工作）。
- Uoyama, H. et al. Highly efficient organic light-emitting diodes from delayed fluorescence. Nature 492, 234–238 (2012). （TADF开创性论文）。
- IDTechEx. OLED Display Forecasts, Players and Opportunities 2024-2034. （市场分析报告）。
- Adachi, C. Third-generation organic electroluminescence materials. Jpn. J. Appl. Phys. 53, 060101 (2014). （关于TADF和器件物理的综述）。
- Friend, R. H. et al. Electroluminescence in conjugated polymers. Nature 397, 121–128 (1999). （聚合物LED的关键工作）。
- The OLED Association. https://www.oled-a.org （行业联盟网站，提供最新商业趋势）。
- MIT Media Lab. Research on responsive environments and human-centric lighting. （麻省理工学院媒体实验室。关于响应式环境和以人为本照明的研究）。
- Zou, S.-J. et al. Recent advances in organic light-emitting diodes: toward smart lighting and displays. Mater. Chem. Front. 4, 788–820 (2020). （被评述的论文）。