新型顯示器件，是目前用于手機、電子閱讀器螢幕等的基本單元。
在近期一項研究中，華南師範大學團隊重點研究了新型發光式顯示器件中的主流技術之一：有機發光器件（OLED，Organic Light-Emitting Diode）。
整體來看，他們的研究目标有下列兩方面：
其一，能否通過理論模拟與實驗結合，預測宏觀器件的電學性質或光電性質；
其二，針對 OLED 由無序分子構成的非晶半導體體系，研究其基本實體規律是否符合傳統無機半導體的理論，亦或是需要對傳統實體理論加以改進或修正。
圖 | 劉飛龍（來源：劉飛龍）
與大多數從業者不同的是，他們是做純理論實體的研究，即研究顯示器件的内在工作原理，進而了解器件内部運作機制，為優化器件效率提供新的思路。
例如，對于 OLED 器件，它是由巨量的分子組成無序非晶的體系，然後在外加電壓下，正負電荷注入并相遇發光。
從實體上來看，無序有機半導體體系是一個很複雜的、内部實體還沒有被完全研究清楚的課題。
在傳統的無機晶體半導體中，原子之間通過化學鍵緊密連結形成周期性的晶體結構；而在無序有機半導體中，分子之間通過較弱的範德瓦爾斯力聚集在一起形成無序堆積結構。
是以，對于電子傳輸，電子在無機半導體中以波動态存在，其波函數與周期性原子分布的耦合構成了能帶傳輸理論。
在無序有機半導體中，由于不存在周期性，無法承載長程周期傳播的波函數，加之分子之間較弱的非鍵耦合，電子被迫局域化在單個分子上。
電子在分子之間通過非相幹躍遷輸運（incoherent hopping transport）進行傳輸，更加具有粒子性。
對于晶體材料來說，由于晶胞重複的特點，隻需針對其單個晶胞進行模拟計算，就足以描述材料的實體特性。
而對于無序有機半導體來說，它的介觀“無序度”，是對載流子傳輸特性起決定作用的實體量。
是以，需要模拟足夠大的體系（例如 105-106 個分子）才能準确涵蓋無序特征，這為理論模組化提出了挑戰。
該團隊近期的理論研究受到 2016 年曾在 Nature Materials 發表的一篇論文的啟發，即當把 OLED 中的電荷傳輸材料進行稀釋時，電流效率反而會更高。
這是一個不太符合常理的結論，因為可以用來傳輸電荷的材料減少了，為什麼反而傳輸更好了呢？
站在理論的角度，課題組針對這個實體問題進行了系統性的三維模組化，描述了體系中能量呈指數分布和高斯分布的缺陷态如何影響電子傳輸。
針對這個問題，課題組還提出了描述材料稀釋無序有機半導體的系統性理論，成功解釋了實驗現象并且揭示了“陷阱稀釋”效應的内在機理。
總的來說，這一系列工作展示了構成 OLED 顯示器件的無序有機半導體實體是新穎獨特的，在很多方面與傳統的無機晶體半導體有着本質的差別。
日前，相關論文以《稀釋引起的無序有機半導體器件的電流密度增加:動力學蒙特卡羅研究》（Dilution-induced current-density increase in disordered organic semiconductor devices: A kinetic Monte Carlo study）為題發在 Physical Review Applied 并入選編輯推薦（Editors’Suggestion）[1]。
碩士生楊菲玲是第一作者，華南師範大學周國富教授、劉飛龍副研究員、華南理工大學牛泉研究員擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Physical Review Applied）
預計本次成果将來會在顯示領域的制造商，例如材料、器件的研發流程中發揮潛在的應用。
目前，OLED 的材料和器件研發在企業中還是以實驗“試錯法”為主，理論模拟主要集中在光學模拟或者材料結構計算。而對于無序半導體組成 OLED 器件的電學模拟，還沒有得到廣泛應用。
實驗試錯法會耗費大量材料、裝置、時間、人員等成本。而理論模拟可以幫助實驗研發提高效率。
例如，該團隊研發的 OLED 模拟技術可以計算混合材料、多層器件結構的電學、光學特性，從瞬态、穩态響應直到器件老化。
而在後續，他們将繼續探究新型顯示器件的内部實體問題。
另一方面，劉飛龍則要開發自己的計算模拟軟體，并力争在工業界得到應用。
他還表示：“我回國加入華南師範大學後，周國富教授上司的電潤濕電子紙研究，是一項非常有潛力的新型反射式顯示技術。是以，對于電潤濕顯示的實體模組化與計算，也是他們接下來準備深入探索的方向。”
從實體角度來看，電潤濕顯示的核心是流體力學與電場耦合作用下的油水兩相體系運動，其顯示色彩來自液相油墨反射外界自然光的顔色，其原理與 OLED 發光式器件有本質不同，是以在未來他們打算采用新的實體模組化方法。
參考資料：
1.Yang, F., Van Eersel, H., Wang, J., Niu, Q., Bobbert, P. A., Coehoorn, R., Liu, F., & Zhou, G. (2024). Dilution-induced current-density increase in disordered organic semiconductor devices: A kinetic Monte Carlo study.Physical Review Applied, 21(1), 014050.
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