有機電致發光器件（OLED）作為新一代顯示技術正在快速走向應用，其中具有偏振發光特性的OLED由于在顯示領域的重要應用需求而倍受關注。OLED顯示屏幕通常需加入偏振片來濾除外界入射光提高顯示質量，另外為實現3D顯示也需使用偏振片獲得偏振光，然而偏振片的使用導致高達50%的光損失并增加面板制造成本。偏振發光OLED可以避免使用偏振片，解決以上問題。

　　目前實現OLED偏振發光的方案都存在各自的局限性，如引入外部微納光學結構調控偏振發光將不可避免的導致器件工藝制備的復雜化；采用機械處理方法使發光分子取向排列，雖然可以實現偏振發光，但極易造成有源層破壞，并且能夠取向排列的分子材料一般難以兼具高發光效率。

　　有機單晶材料由于其規則的分子排布，具有天然的各向異性和偏振發光特性。同時，得益于有機單晶材料高的熒光量子產率和高的載流子遷移率，通過材料和器件的優化設計有望突破技術瓶頸，為實現高效率高偏振度的單晶OLED器件帶來了新的機遇。然而，目前單晶OLED的偏振發光效率和偏振度等各項指標仍遠遠不能滿足實際應用需求，并且發光效率和偏振度與單晶內分子排布之間的關系也亟待深入研究。

　　吉林大學馮晶教授和清華大學孫洪波教授課題組合作，將有機單晶材料和光學微腔結構相結合，獲得了發光偏振比高達176的有機單晶OLED器件，是迄今為止基于本征偏振發光材料的偏振OLED最好結果。具有高度有序分子排列的有機單晶材料2，5-bis（4-cyanobiphenylyl-4-yl） thiophene（BP1T-CN），具有顯著的各向異性和偏振特性，但光致發光的偏振比只能達到8，遠低于實用需求的30~40。該研究團隊提出將BP1T-CN單晶應用于偏振發光OLED器件，設計頂發射OLED微腔結構，實現光學微腔與偏振光的共振耦合，將發光偏振比從8提高到電致發光的176，獲得了兩個數量級的提升。同時，BP1T-CN單晶的分子躍遷偶極與晶面成22度小角度傾斜排布，能夠大幅減少光子在電極界面的表面等離子共振損耗，器件最大亮度、電流效率和外量子效率分別達到 6122 cd m-2、1.86 cd A-1和1.44%，是目前非摻雜單晶OLED的最高亮度和效率。這項工作為實現高效率高偏振度的OLED器件提供了一種新的方案，對于推動有機單晶半導體材料的光電器件應用具有重要意義。

　　圖1 （a）BP1T-CN單晶薄膜熒光顯微鏡照片和分子結構式。BP1T-CN單晶沿 （b） bc 和 （c） ab晶面的分子堆積情況。（d） BP1T-CN單晶在TM和TE偏振模式下的偏振光致發光（PL）光譜和的偏振熒光照片。（e）BP1T-CN單晶在497 nm波長處的偏振角度分辨的PL光譜強度。（f） BP1T-CN單晶及其單晶OLED的偏振光譜測量裝置示意圖

　　圖2 BP1T-CN單晶OLED器件的偏振電致發光（EL）特性。（a） 頂發射單晶OLED的微腔結構示意圖。（b） BP1T-CN單晶OLED 在TM和TE偏振模式下的偏振EL光譜和偏振電致發光照片。（c） BP1T-CN單晶OLED 的偏振EL極坐標圖。（d） BP1T-CN單晶OLED 在493 nm波長處的偏振角度分辨的EL強度

　　圖3 BP1T-CN單晶OLED 器件 （a） 在TM和TE偏振模式下實際測量的EL光譜（實線）和模擬計算的功率耗散譜（虛線），和 （b） 在TM 偏振模式下模擬計算的電場強度分布圖。（c） BP1T-CN單晶OLED器件的亮度-電流效率-電流密度曲線。（d） 利用偶極子模型計算的BP1T-CN單晶OLED的光取出效率與分子取向角度的關系

　　這一成果近期發表在Optica上，文章的第一作者是吉林大學安明慧博士研究生、丁然博士和張旭霖博士。該研究工作得到了國家杰出青年科學基金（61825402）和國家重點研發計劃（2020YFA0715000）的支持。