手机屏幕和其他OLED显示屏的像素表面上看起来发出的是均匀的光，但密歇根大学工程学院的研究团队发现，真实情况是光来自纳米尺度的“热点”，其中一部分还会发生闪烁。这种不均匀发光可能会缩短设备的使用寿命。

“如果某些区域承载的电流明显高于其他区域，它们就更容易提前失效、烧坏。”彼得·A·弗兰肯杰出工程大学教授、《自然光子学》论文资深作者史蒂夫·福雷斯特表示。“这一现象可能影响器件的可靠性和性能，比如太阳能电池的能量转换效率，或者晶体管中的电荷迁移率。它几乎存在于所有有机材料中，因此既是一个非常基础的问题，也具有很强的应用意义。”

研究团队同时提出，有机（碳基）电子器件的一条潜在改进路径，是采用晶体结构来替代常见的无定形结构，因为晶体结构可能更加稳定耐用。

电荷载流子如何形成热点

“促使我们去寻找这种现象的理论计算其实很早就出现了。早在2000年代中期，人们就预测过所谓的电流通道效应。”密歇根大学电气与计算机工程教授、论文资深作者克里斯·吉宾克介绍说。“你可以把它想象成一片起伏的丘陵地形。电子等电荷载流子在器件内部运动时，会倾向于沿着能量最低的路径前进，也就是沿着‘山谷’流动。”

电荷载流子主要分为两类：电子和带正电的“空穴”，它们在器件中沿相反方向穿行。当这些“河流”在某处相遇时，发光分子会把电子-空穴对转化为光子，也就是我们看到的光。

由于有些“山谷”比其他地方更深，电荷载流子会在这些区域高度集中，其流密度被认为可达到材料其他区域的10到100倍。相比之下，晶体材料内部更为均匀，能量地形更平坦，使电荷载流子分布更均匀，从而减弱热点的形成。

解析纳米级闪烁

理论预测，这些热点的宽度只有几十纳米。在光学显微镜下，它们表现为颗粒状结构，而传统光学显微镜的分辨率通常在几百纳米量级或更大，难以直接分辨。

“起初我们担心，这会不会只是显微镜成像带来的伪影。”电气与计算机工程博士生、论文第一作者约书亚·斯普林斯廷回忆道。“于是我们用光致发光和电致发光两种方式对同一区域进行了成像，结果表明这确实是由电学行为引起的现象。”

由于部分热点会闪烁且彼此不同步，斯普林斯廷对器件进行了视频拍摄，并利用软件分析亮度随时间的变化——例如某个热点熄灭而另一个仍然保持明亮的时刻。团队采用的技术称为“超分辨率光学波动成像”，借助亮度波动来突破传统光学分辨率极限，从而确认这些热点的尺寸小于其发射绿光波长的一半。

闪烁为何会影响器件寿命

研究人员认为，热点的闪烁与电荷载流子在能量地形中的暂时“陷落”有关。当载流子被困在某个能量凹陷中时，它们更像是形成了一道“水坝”，会排斥其他电荷载流子，迫使后者绕道而行，从而导致下游原本明亮的热点暂时熄灭。最终，当被困的载流子吸收了足够的热量跳出凹陷后，原来的热点又会重新点亮。

由于这些闪烁的热点彼此并不同步，人眼看到的无定形OLED整体发光仍然显得稳定、连续，但在纳米尺度上却存在剧烈的局部变化。这种局部高负载和反复开关，可能加速材料老化，进而影响器件寿命和性能。

为了验证这一机制，团队利用早期的理论计算结果，模拟了电荷载流子在器件内部的流动路径及其交汇位置。斯普林斯廷将这些理论生成的静态分布图，进一步处理成模拟超分辨率显微成像模糊效果的图像。结果显示，经过处理的模型图像与实验获得的图像高度一致，研究人员因此更加确信，他们观测到的确实是纳米级热点。

本次研究所用器件在Lurie纳米制造设施中完成制备，并在密歇根材料表征中心进行了详细表征和分析。