具有內在面內各向異性性質的小分子有機單晶(SCs)能夠直接發射線性偏振光，而不需要空間分離的偏振器和復雜的光學結構。然而，由于缺乏合適的SCs發射體以及構建高效SCs電致發光(EL)器件的困難，器件性能受到嚴重限制，導致通常小于1.5%的低外量子效率(EQE)。

在這項工作中，蘇州大學張曉宏教授、張秀娟教授和中科院化學所董煥麗研究員等人通過利用2，6-二苯基蒽(DPA) SCs作為本征偏振發射體，展示了高效的固有線性偏振發光二極管(LP-LED)。LP-LED表現出3.38%的2.5倍增強的最大EQE，這接近DPA SCs基EL器件的理論極限，并且是迄今報道的基于SCs的有機發光二極管中最高的。更重要的是，對于DPA SC基LP-LED的固有偏振EL發射，實現了高達0.74的高偏振度(DOP)。通過利用高效的LP-LED，作者首次展示了一個由有機SCs組成的片間偏振光通信系統。這項工作為開發用于LP-LED的大規模新的小分子有機SCs庫奠定了堅實的基礎，并對偏振光學和相關的光電器件具有廣泛的意義。該工作以題為“Highly Efficient Inherent Linearly Polarized Electroluminescence From Small-Molecule Organic Single Crystals”發表在《Advanced Materials》上。

【DPA SCs的分子結構與表征】

圖1. 分子結構與表征

作者選擇了一種新的高遷移率發射型小分子有機半導體，2,6-二苯基蒽（DPA）（圖1a）。它結合了高遷移率和強發射的兩個優點。作者開發了一種恒體積慢冷卻方法來生長薄DPA SCs。通過調整有機溶液的冷卻速率，可以獲得尺寸為0.1-2 mm2、厚度為0.3-10 μm的層狀DPA微孔片。圖1b為典型的DPA微孔片，側邊長為~1 mm，厚度為~5 μm。規則的形狀，光滑的表面和尖銳的邊緣清楚地表明了SC的高結晶質量。作者評估了DPA SCs的各向異性晶體結構和光學性質。DPA微孔片具有完美單晶結構，具有高度有序的分子堆積。在紫外激發下，DPA SC表現出較強的熒光發射（見圖1f）和較長的平均熒光壽命為8.55 ns，導致PLQY為47.6%。

【基于DPA SCs的高性能LP-LEDs】

圖2. 基于DPA SCs的高性能LP-LEDs

作者開發了一種簡單的液體-絕緣體橋接（LIB）策略來制造基于DPA SC的LP-LEDs。如圖2a所示，首先將在氯苯溶液中生長的DPA微孔片轉移到氧化銦錫（ITO）基底上。需要注意的是，多余的溶液被毛細管迅速吸出，以防止多余的小顆粒在微孔片表面成核，確保SC和ITO襯底之間的平面接觸界面。優化的基于DPA SC的LP-LED具有優異的EL性能。作者觀察到EL器件強烈而均勻的藍色發射（圖2d插圖）。基于厚度~0.9 μm的DPA SC的器件的亮度-電流密度-EQE特性在圖2d顯示，在電流密度為60.19 mA cm?2下，最大亮度和EQE值分別為2427 cd m?2和3.38%，相應的最大電流效率確定為4.03 cd A?1。值得注意的是，EQE值正在接近基于DPA的器件的理論極限。可以設想，通過使用具有更高發光效率的新型有機晶體材料，如磷光和熱激活延遲熒光（TADF）材料，可以大大提高器件的性能。為了對基于DPA SC的LP-LEDs的性能進行基準測試，作者將器件的EQE值與文獻中具有代表性的基于有機SC的LEDs進行了比較（圖2g）。值得注意的是，作者的LP-LED代表了基于SCs的有機LEDs的最先進性能。

【片間偏振光通信系統的開發】

圖3. 偏振光發射研究

作者進一步研究了基于各向異性DPA SC的高性能LP-LED的極化EL特性。如圖3a所示，該器件表現出明顯的極化依賴性EL行為。器件的亮度隨著偏振器的偏振角而逐漸增大。LP-LED的偏振角分辨EL譜如圖3b所示被詳細表征。當偏振角從0°到180°時，器件的EL峰值強度發生周期性變化。在45°、90°和135°的不同偏振角下測量的EL光譜的峰表現出強度的一致變化（圖3c），說明所有的光躍遷具有相同的偏振依賴性。值得注意的是，薄膜器件顯示出幾乎各向同性的EL發射，與SCs器件的強極化EL發射形成鮮明對比。基于上述實驗研究，作者提出了一個基于DPA SC的器件中極化EL的合理機制。如圖3e所示，在LP-LED的運行過程中，電子和空穴可以分別從陰極和陽極電極有效地注入SC發射層，由于分子的長期有序堆積，形成有序的分子間激子。根據密度泛函理論（DFT）的計算，分子的聚集模式將極大地影響電子帶結構的固有各向異性。

圖4. 基于DPA SCs的片間偏振光通信系統

作為概念驗證，作者實現了一個芯片間偏振光通信系統，該系統結合了基于DPA SCs的LP-LED和基于DPA SCs的線性偏振光電探測器（LP-PD）。圖4a顯示了實現光電轉換的片間偏振光通信系統，該系統將電信號輸入、偏振光產生、傳播、檢測和電信號輸出集成在一個系統中。圖4b說明了集成系統的設備配置和工作機制。基于DPA的LP-PD除了使用不同的功能層來促進光生成載流子的分離和傳輸，采用與LP-LED相同的LIB方法制備。圖4c顯示了LP-PD在幾個周期內檢測到的與偏振相關的輸出電信號。作者得到了角度分辨光電流的穩定變化趨勢，如圖4e所示。作者利用具有各向異性的小分子有機SCs同時實現固有線性偏振信號發射和檢測的策略，為開發緊湊的偏振光信號傳輸系統提供了新的途徑。

總結，作者通過利用適當的小分子有機SCs發射器和開發一個簡單的LIB策略成功構建了高效的本征LP-LEDs。基于DPA SCs的LP-LEDs表現出吸引人的EL性能，最大亮度和EQE分別為2427 cd m?2和3.38%，代表了迄今報道的小分子有機SCs基LEDs的最先進的性能。該工作代表了制造高性能有機SCs的本征LP-LEDs的重要一步，用于偏振光學和光電器件應用超越傳統材料和方法。