研究背景
过去几十年间，有机发光二极管（OLED）因其广色域、超高对比度、低能耗和柔性特性，已在显示市场获得广泛应用。高效白光有机发光二极管（WOLED）作为大尺寸照明光源、液晶背光和标识应用的潜力正日益凸显。尽管 WOLED 具备显著的应用前景，要实现商业化仍需攻克多项技术难题，其中提升发光效率尤为关键。要实现多层堆叠结构 WOLED 的理性设计与优化，必须对器件物理机制（尤其是电荷与激子动力学）建立精确的定量认知。
构建完整 OLED 结构的物理模型面临以下几大挑 战：
- 真空或溶液工艺制备的分子薄膜具有非晶态特征；
- 发光层及电荷传输层所采 用的分子混合材料；
- 激子过程中复杂的物理机制，涵盖激子的生成、传输及相互作用；
- 覆盖从纳秒级光物理过程到亚毫秒级载流子传输以及低迁移率层状材料中弛豫过程的广泛时间尺度
虽然宏观连续体漂移-扩散模型可以在器件尺度上描述电流密度， 但在应对主客体分子的分子级混合及其对激子过程速率的影响时仍存在局限。而基于密度泛函理论的微观原子级模型能够揭示单个分子或晶体系统的电学与光学特性，但将此模型应用于完整 OLED 堆叠结构的仿真仍充满挑战。
研究内容
华南师范大学华南先进光电子研究院彩色动态电子纸研究所刘飞龙课题组围绕 2019 年华南理工大学在Nature Communications 报道的一种高性能 TADF 型白光 OLED 器件展开研究。该文章中提出了一种高效发光的荧光 WOLED 器件，并且做了三种不同的器件来证明器件的高效性。该器件在合理的结构设计下实现了约 20.5%的外量子效率和优异的器件寿命，展现出良好的应用前景。然而，该文章并未对其中的橙色 TADF 发光材料 FDQPXZ 是如何敏化蓝色 TADF 材料 DMAC-DPS 这一关键过程进行深入探讨。理解这一能量转移过程的底层物理机制，对于未来设计更高效率的 WOLED 器件至关重要。
本研究通过 Bumblebee 软件进行三维动力学蒙特卡洛模拟，仅使用一组材料参数就成功复现了多种实验表征良好的 TADF WOLED 堆叠结构的性质，包括：电流密度-电压特性、外量子效率滚降特性及瞬态光致发光特性。针对具有混合发光层和多种器件设计的复杂多层 OLED 堆叠结构同步优化提取了电子和激子器件参数。该研究定量揭示了电子能级结构、激子能量与电荷传输及激子过程速率之间的复杂相互作用机制，系统阐释了所研究器件的高效机理。基于这些物理认知进一步提出了具有更高效率的创新器件设计方案。
2019 年的文章中的实验部分，曾对这些设计规则展开过深入探讨，但缺乏先进模拟技术支撑，相关讨论仍停留在定性分析层面。本研究通过采用三维核蒙特卡洛（3D-KMC）模拟技术，首次实现了器件物理特性的定量研究。3D-KMC 模拟与实验数据对比，成功提取出了真实 WOLED 堆叠结构中能级数值及其他关键材料参数的精确数据。研究表明，仅需一组经过精细调控的材料与器件参数组合，仿真结果能够同时复现三种器件的实验数据(J-V 曲线和 EQE 滚降特性），以及这些材料制备薄膜的瞬态光致发光数据。
在器件 1 的设计中，确保大部分激子在 DPEPO 发光层内的 DMACDPS 材料中生成至关重要，这样通过从DMAC-DPS 到 FDQPXZ 的激子转移，DPEPO 层能被有效敏化。为解决这个问题，对电荷传输材料的能级和迁移率进行调整，确保空穴和电子能顺利进入 DPEPO 发光层（图 1），该方法不仅解决了电子空穴注入、电荷平衡问题，还优化了器件内的激子生成过程，从而提升器件整体发光效率。
该研究通过持续比对模拟结果与实验数据（图 2），展示参数优化过程：基于电流-电压特性曲线与预期电子-空穴分布，调整能级与电荷传输参数；依据外量子效率衰减曲线与预期发光分布，优化激子参数；深入探讨激子敏化与损耗过程的物理机制，及瞬态光致发光模拟。
基于详细的定量分析，并通过系统动力学蒙特卡洛模拟与 J-V 特性和外量子效率滚降实验数据相吻合，我们提出：器件 1 与器件 2 的关键物理机制在于，DMACDPS 材料本身具有强烈的淬灭和湮灭效应，而这类效应在 FDQPXZ 相对较弱。在仅含有 DMAC-DPS 作为发光材料的器件 2 中，激子大量积聚在 DMAC-DPS 分子上，由于其显著的淬灭和湮灭过程导致严重损耗（图4）；而在器件 1 的 DPEPO 发光层中，除 DMAC-DPS 外还掺杂了 FDQPXZ，DMAC-DPS 上产生的激子大部分会转移至 FDQPXZ（能量向下传递），从而避免了 DMAC-DPS 上的大量损耗。
基于已建立的参数体系，本研究利用 3D-KMC 模型对瞬态光致发光衰减行为进行仿真验证，并在图 4 中与实验结果进行了比较，模拟结果与 2019 年实验文章报道的实验数据呈现显著一致性。瞬态 PL 曲线中初始的快速衰减与后续的缓慢衰减，正是热激活延迟荧光（TADF）机制的特征信号。当橙色 TADF 发光材料掺杂进蓝色发光层时，由于 DMAC-DPS 向 FDQPXZ 的高效能量转移过程，DMAC-DPS 的延迟发光部分减弱，这体现了高能级蓝色 TADF 发光材料 DMAC-DPS 对橙色 TADF 发光材料 FDQPXZ 的敏化效应。
模拟与实验的高度吻合再次证明，3D-KMC 方法不仅能准确预测稳态行为，还能精准模拟实际 OLED 器件堆叠的瞬态行为。此外模拟结果表明，通过调控发光体能级并控制底层物理机制，还可以实现器件效率的优化。
3D-KMC 模拟的强大之处在于，它不仅能复现实验结果并阐释物理机制，还能为器件优化提供合理预测。对发光材料 FDQPXZ 的浓度和能级进行研究并探讨了如何进一步优化白光 OLED 的可能性。借助3D KMC模拟，我们清晰揭示了载流子输运物理、激子敏化机制及能量损耗通道。通过系统探究发光分子浓度与能级调控，提出了器件进一步优化的理论依据。展望未来，采用 3D KMC 技术还可进行器件寿命与衰减模拟，这将有助于深入理解实验文章报道中器件 1 同时实现最佳效率与最长寿命的内在机理。
参考文献
- Yubai Li,Zhouyan Jiang, Chongrui Bai, Haorong Zhu, Jiawei Wang, Guofu Zhou, and Feilong Liu, Improving exciton utilization efficiency in white organic light-emitting diodes based on thermally activated delayed fluorescence: A kinetic Monte Carlo study. Phys. Rev. Appl. 24, 024030 (2025) https://doi.org/10.1103/6hyk-4gkb