电子产品世界

数十年来，工程师们一直致力于研发可弯折、扭曲、拉伸，且能保持亮度稳定的有机发光二极管（OLED）。这类显示屏可集成于全新品类的设备中 —— 例如织入衣物面料，实时显示跑步者的速度、心率等信息，且不会出现破损或亮度衰减。

但工程师们始终面临一个技术取舍难题：这类材料的拉伸幅度越大，亮度就越低。如今，由美国德雷塞尔大学材料科学家尤里・戈戈齐（Yury Gogotsi）联合主导的研究团队，找到了破解这一难题的方法。他们采用了一类名为MXene的特殊材料（戈戈齐正是这种材料的共同发现者），让显示屏在大幅拉伸的同时，仍能保持亮度稳定。

该团队研发的 OLED 显示屏，可拉伸至原始尺寸的 2 倍，且发光亮度保持稳定。同时，其电光转换效率也创下新高，外量子效率达到 17%—— 这一指标用于衡量器件将电能转化为光能的效率，远超此前所有可拉伸 OLED。

“理想替代材料”

大约五年前，受折叠屏手机等柔性电子设备日益普及的推动，戈戈齐与首尔国立大学材料科学家李泰宇（Tae-Woo Lee）展开合作，致力于研发性能更优的柔性 OLED。彼时，戈戈齐在 OLED 领域的研究经验尚浅。

传统 OLED 显示屏由多层堆叠结构组成：底层是阴极，负责向相邻的有机功能层注入电子，这些有机层经过特殊设计，具备高效传导电荷的能力；电子在有机层中移动时，会与由氧化铟锡（ITO）薄膜注入的正电荷相遇；正负电荷结合的瞬间，有机材料会以光的形式释放能量，形成构成图像的发光像素；整个结构的顶层由一层玻璃封装保护。

附着在玻璃上的 ITO 薄膜充当阳极，既允许电流通过有机层，又不会阻挡器件产生的光线。“但 ITO 本质上是陶瓷材料，质地脆硬”，戈戈齐解释道，因此它适用于平面器件，却无法承受弯折。此前，科研人员曾多次尝试研发柔性 OLED，但始终未能同时突破柔韧性与亮度的双重技术瓶颈。

戈戈齐的学生团队率先用 MXene 材料制备出了透明导电薄膜。MXene 是一类超薄柔性材料，具备类金属的导电性能，其独特之处在于，材料内部的二维片层结构可相对滑动而不发生断裂。这种厚度仅为 10 纳米的薄膜，“堪称 ITO 的理想替代材料”，戈戈齐评价道。

通过进一步实验，戈戈齐与李泰宇的联合团队发现，MXene 与银纳米线的复合材料，在拉伸性能与稳定性之间实现了最优平衡。“我们成功实现了 200% 的拉伸幅度，且器件性能没有任何损失”，戈戈齐表示。

沉积在小型可拉伸基底上的双轴向扭曲激基复合物辅助磷光薄膜。这种新型材料即使发生扭曲，也不会停止发光。

这款新型 MXene 薄膜不仅比 ITO 更具柔韧性，还通过优化顶层发光有机层与薄膜的接触效率，将显示屏亮度提升了近一个数量级。

与 ITO 不同，MXene 的表面可进行化学修饰，从而降低电子从电极注入发光层的阻力。更高效的电子传输效率大幅提升了显示屏亮度，17% 的外量子效率就是最好的证明，该团队称这是可拉伸 OLED 的纪录级数据。

“在高拉伸幅度下，本征可拉伸 OLED 能达到这样的性能指标，意义十分重大”，韩国科学技术院（KAIST）集成有机电子实验室负责人刘胜烨（Seunghyup Yoo）评价道。刘胜烨解释，20% 的外量子效率是这类器件的关键性能阈值，这是由光产生的物理特性决定的效率上限。

为进一步提升发光亮度，研究团队的创新不止于 MXene 材料的应用。李泰宇的团队在 OLED 结构中间新增了两层有机功能层：一层用于引导正电荷精准流向发光层，确保电能得到更高效的利用；另一层可回收原本会损耗的能量，进一步提升整体亮度。

MXene 导电层与新增的两层有机功能层协同作用，让这款 OLED 显示屏即便处于拉伸状态，也能实现超高亮度与稳定性。戈戈齐认为，这款 OLED 的研发非常成功，因为它打破了此前 “柔韧性与亮度不可兼得” 的技术桎梏。

“这项研究实现的性能突破，是该领域的重要进展”，美国芝加哥大学分子工程师王思泓（Sihong Wang）表示，他同样致力于可拉伸 OLED 材料的研发。王思泓还指出，该团队实现的 200% 拉伸性能，完全能够满足可穿戴设备的应用需求。

可穿戴设备与医疗健康领域的应用前景

戈戈齐表示，这种可拉伸且亮度稳定的 OLED，可应用于工业环境、机器人、可穿戴服装与设备、通信等多个领域，不过他最期待的是其在健康监测设备中的落地。他构想了一个近未来场景：用于诊断和治疗的显示屏，可嵌入衣物或制成 “表皮电子设备”，功能与智能手表类似，但使用方式更加自然无感。

不过，王思泓指出，这类显示屏要实现商业化，首先需要解决所有可拉伸 OLED 都存在的稳定性问题。目前的材料无法保证长时间稳定发光，难以满足消费者的实际使用需求。

此外，寻找合适的封装材料也是一大难题。“我们需要一种可拉伸的封装材料，既能保护核心器件，又能阻止氧气和湿气渗入”，王思泓补充道。

刘胜烨也认同这一观点，他表示这是一个极具挑战性的难题，因为性能最佳的防护层往往质地坚硬，不具备可拉伸性。他还提出了商业化进程中的另一项挑战，即 “研发不会出现图像畸变的可拉伸显示屏”。

尽管存在诸多待解难题，戈戈齐仍对可拉伸 OLED 的未来充满信心。“计算机最初占据整间屋子，随后演变为台式机、笔记本电脑，再到如今的智能手机和平板电脑，但我们始终需要随身携带这些设备”，他说，“而柔性显示屏可以织在夹克袖子上，卷成筒状或折叠起来放进口袋，真正实现‘万物皆可显示’”。

关键词： OLED 超薄柔性材料 MXene 可穿戴设备 医疗健康