从折叠屏手机、笔记本电脑，到可穿戴电子设备，有机发光二极管（OLED）点亮了一块块屏幕，承载着数字世界的视觉入口。OLED通常由发光层（EML）、电子传输层（ETL）以及电极构成，而发光层的电致发光效率则直接决定了设备的亮度与能效。因此，让EML既高效又可拉伸，长期以来都是可拉伸OLED研究的核心：从第一代荧光材料，到第二代磷光材料，再到能够同时利用单重态与三重态激子的第三代热活化延迟荧光（TADF）材料，最新的可拉伸TADF发光体已经实现了10%的外量子效率（EQE）。

光电器件的演变。图片来源：Chem. Rev. ^[1]

然而，一旦这些优秀的发光材料被装入完整的可拉伸OLED器件中，性能立刻“腰斩”，有时甚至仅剩原来的三分之一。问题出在哪里呢？原来，瓶颈并不在发光层，而在电子注入路径，也就是ETL与阴极。“掉链子”的阴极尤其棘手：它必须具备低功函数以高效注入电子，又要能承受拉伸，这对常用的铝（Al）、钙（Ca）这些刚性材料来说几乎是不可能完成的任务。同时，在另一方面，现有的可拉伸ETL聚合物往往能级不理想，容易导致激子猝灭，进一步拉低了器件效率。

提升本征可拉伸OLED的电子注入效率。图片来源：Nat. Mater. ^[2]

近日，美国芝加哥大学Sihong Wang教授和Juan J. de Pablo教授等研究者在Nature Materials 杂志上发表论文，攻克了可拉伸OLED发展的关键瓶颈。他们设计了一类兼具高延展性与理想能级结构的共聚物ETL，其性能可与传统刚性OLED中使用的小分子媲美。同时，他们利用液态金属的“脆化效应”，让铝薄膜获得前所未有的可拉伸性，而不损伤其电学或光学特性。将这两项创新结合后，研究团队展示了可拉伸的高性能OLED，实现了8%的EQE和仅3.5 V的开启电压，其表现已与使用相同发光体的刚性OLED持平。这项工作在器件层面弥合了可拉伸OLED与传统OLED的性能鸿沟，为高性能、类皮肤显示器铺平了道路。

可拉伸OLED照片。图片来源：芝加哥大学 ^[3]

传统OLED阴极依赖LiF/Al双层结构来获得低功函数，但金属铝本身极难实现可拉伸性，于是，研究者走了一条“反直觉”的道路。在尝试了多个无效方案、翻阅大量文献后，他们意识到：要让铝能拉伸，必须先让它变脆。“如果你把一滴液态金属（如镓铟合金）滴在铝箔上，铝会在很短时间内碎裂成片，这本是工程中极力避免的失效机制”，Sihong Wang教授说道，“而我们主动制造脆化，并将铝薄膜嵌入弹性基底中加以保护。这样产生的微裂纹会在拉伸时张开、在释放时闭合，宛如折纸的褶皱；周围的液态金属则会流入较大的断开区域，填补空隙，确保电路持续导通”^[3]。

液态金属与铝电极脆化。图片来源：芝加哥大学 ^[3]

研究者设计了新型AlGaIn液态金属，大幅改善其在铝表面的润湿性。将AlGaIn涂覆在经十八烷基三甲氧基硅烷（OTS）处理的铝薄膜后，液态金属会在铝膜内部产生可控的微裂纹，从而在拉伸时有效分散应力。随后，采用PDMS将“脆化铝电极”从硅基底上剥离；形貌观察显示，脆化后的铝表面仍保持完整、平滑。能量色散X射线光谱（EDS）、X射线光电子能谱（XPS）等测试进一步证实，液态金属的渗透效应，Al、Ga、In三种元素在膜内均匀分布。更重要的是，采用LiF/脆化铝/AlGaIn阴极的器件表现出与标准LiF/Al阴极几乎相同的电子注入能力，而此前以银纳米线或PEDOT:PSS作为阴极的方案，其电子注入电流低了整整四个数量级。此外，在为期一个月的老化测试中，这种“脆化铝电极”的电学性能始终保持稳定。

基于液态金属脆化效应的可拉伸铝阴极设计。图片来源：Nat. Mater. 

为了打造既能导电子又能被随意拉伸的ETL层材料，研究者设计了一类全新的三嗪共聚物。该分子结构同时满足三项关键指标：合适的能级结构、足够高的三重态能量以及良好的电子迁移率。主链上的三嗪基团负责电子传输，插入的烷基链则吸收机械应变并维持较高的三重态能量。研究者调控烷基链的比例，合成了五种不同柔性的ETL聚合物。尽管随着烷基链比例增加电子迁移率略有降低，但多种配方（如PTG25D、PTG50D、PTG75D）在OLED器件中依然展现出与小分子相当的性能，可实现9%~10%的EQE。

不同烷基链的聚合物作为ETL层性能表征。图片来源：Nat. Mater. 

研究者进一步验证了这些ETL聚合物在机械拉伸下的可靠性，随着主链中烷基链比例增加，材料的可拉伸性显著提升，从不足5%的开裂应变一路提高至200%。尽管随着柔性增强，玻璃化转变温度和杨氏模量有所下降，但并未削弱其在器件中的表现。将被拉伸的ETL膜转移到发光层后制作OLED器件，即便在100%拉伸下，电流、亮度、开启电压和EQE都保持稳定。经过500次反复拉伸循环，器件性能依旧稳健。分子动力学模拟进一步揭示，柔软的烷基链既承担自身形变，又帮助刚性的三嗪骨架更有效排布与释放应变，使整体电学结构保持不变。

ETL聚合物的可拉伸性能。图片来源：Nat. Mater. 

将全新设计的可拉伸ETL（PTG75D）可拉伸阴极集成后，研究者构建出性能媲美刚性器件的可拉伸OLED。得益于理想的能级匹配、以及高效电子注入能力，器件实现了仅3.5 V的开启电压、25.3 cd A^-1的高电流效率，以及8%的EQE，甚至比此前使用相同TADF材料的可拉伸OLED效率提升2.4~4.7倍。在60~100%的大形变范围内，器件仍能保持超过初始亮度75%的发光效率，发光颜色稳定不漂移，性能提升甚至伴随适度拉伸而略有上升。更重要的是，这一策略不仅适用于TADF发光体，也适用于荧光材料，并覆盖从蓝色到红色的色域。这标志着可拉伸OLED技术向最终目标迈出了至关重要的一步。

基于PTG75D与脆化Al阴极的可拉伸OLED性能。图片来源：Nat. Mater. 

“显示屏是可拉伸OLED最直观的应用场景，而且，这类器件同样能作为光源，用于糖尿病、癌症、心脏疾病等重大健康问题的监测、检测与诊断设备”，论文一作Wei Liu（现任苏州大学教授）说道。共同作者Cheng Zhang（现任苹果公司显示工程师）补充道，“我们的终极目标，是实现一种高性能、真正意义上的全可拉伸发光器件。这篇论文正是集中解决了此前阻碍可拉伸OLED屏幕落地的两大关键难题——阴极层与电子传输层”^[3]。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Enabling efficient electron injection in stretchable OLED

Wei Liu, Cheng Zhang, Zhiming Zhang, Yang Li, Shinya Wai, Aikaterini Vriza, Yahao Dai, Glingna Wang, Yunfei Wang, Benjamin T. Diroll, Naisong Shan, Songsong Li, Du Chen, Peijun Guo, Chenhui Zhu, Jie Xu, Juan J. de Pablo & Sihong Wang

Nat. Mater., 2025, DOI: 10.1038/s41563-025-02419-z

参考文献：

[1] S. Chang, et al. Flexible and Stretchable Light-Emitting Diodes and Photodetectors for Human-Centric Optoelectronics. Chem. Rev. 2024, 124, 768-859. DOI: 10.1021/acs.chemrev.3c00548

[2] M. W. Jeong & J. Y. Oh, Stretchable OLEDs catch up. Nat. Mater. 2025. DOI: 10.1038/s41563-025-02425-1

[3] Innovative materials boost stretchable digital displays’ performance

https://pme.uchicago.edu/news/innovative-materials-boost-stretchable-digital-displays-performance 

（本文由小希供稿）