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突破ECL技术瓶颈!超亮柔性电化学发光器件赋能可穿戴智能设备

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柔性可穿戴显示技术是下一代人机交互、健康监测设备的核心环节。电化学发光(ECL)器件凭借结构简单、驱动电压低的优势,被视作OLED、发光电容器极具潜力的替代方案。但长期受限于亮度不足、界面稳定性差、难以高频稳定工作等现实瓶颈,难以走向实际产品应用。新加坡国立大学与新加坡科技研究局(A*STAR)联合科研团队,受海洋生物生物发光现象启发,提出一种 “离子液体电解质优化+非对称器件架构” 协同创新方案,打造出超亮电化学发光器件(UBECL),实现低电压启亮、高频稳定发光、高亮度与电流效率同步提升,同时完成数字显示面板、汗液传感可视化、水下固态柔性器件多场景原型验证,为柔性光电、可穿戴健康设备开辟全新技术路线,该成果发表于《Science Advances》。

柔性光电时代,电化学发光的机遇与现实困境

柔性电子技术快速迭代,可穿戴设备、电子皮肤、柔性人机界面逐步从实验室走向大众视野。人们期待轻薄、可弯曲、低功耗的发光器件,能够直接贴附皮肤,把生理信号直接转化为肉眼可见的光信号,实现不用读取屏幕的直观可视化交互。当前主流交流驱动发光器件例如发光电容器(LEC),虽然结构简单,可以适配柔性基底,却存在致命短板:这类器件往往需要数百甚至上千伏特的驱动电压,同时需要千赫兹的工作频率。高电压不仅带来功耗高、发热问题,更存在安全隐患,极大阻碍其在可穿戴、低功耗电子产品中的落地应用。

大自然为科研人员提供了解决思路。海洋中的许多海洋生物可以依靠生物发光,在温和条件下实现高效光信号输出。典型代表是南海鱿鱼,依靠体内离子调控发光颗粒,以极低能量实现闪光输出。不过生物发光体系亮度普遍很低,仅有几个尼特,无法直接用于显示设备。科研人员由此转向电化学发光(ECL)技术,电化学发光是生物发光的人工模拟版本,依靠电极‑电解质界面处电驱动氧化还原反应产生光信号,继承化学发光体系结构简单的优势,还可以通过电压精准控制发光启停与发光强度。

电化学发光主要分为湮灭型与共反应剂型两种工作路径。当前绝大多数ECL显示器件采用湮灭型工作机制,发光分子在电极表面分别被氧化、还原,两种带电分子相遇复合产生激发态,退激发之后释放光子完成发光。这套机制可以在常温环境低压工作,器件结构简单,适配柔性基底,拥有巨大应用潜力。但是传统直流驱动ECL器件亮度低、工作寿命短。交流驱动ECL(AC‑ECL)的出现,通过双向氧化还原循环,改善发光分子再生效率,降低材料损耗,一定程度提升亮度,也实现了无需共反应剂的器件运行模式。

即便如此,湮灭型ECL器件依旧存在两大核心瓶颈:一是电极‑电解质界面电荷输运效率低下,自由基中间体生成速率不足;二是界面电化学稳定性不足,交流电压下容易发生副反应,消耗发光物质,造成发光快速衰减。两个痛点叠加,导致器件亮度达不到日常视觉识别的要求,高频条件下更是容易出现闪烁、快速失效,距离实际显示应用还有巨大鸿沟。

电解质是决定ECL性能的关键一环,电解质直接塑造电极界面电化学反应环境,调控发光分子电荷传输行为。离子液体拥有电化学窗口宽、本征离子电导率高、界面性质可调的特点,还可以形成离子凝胶,兼顾离子迁移能力与固态力学性能,是ECL非常理想的电解质材料。但过去针对湮灭型交流ECL的离子液体系统性研究较少,现有离子液体体系依旧无法满足高亮度柔性界面的需求。

以往研究把离子液体少量添加进发光电化学电池薄膜,而 ECL 器件则需要以离子液体作为主体介质,厚度达到微米至毫米级别,依靠电解质内部调控氧化还原动力学与电荷传输实现低压高亮发光。但面向高亮度、高电流效率柔性光电应用,高性能离子液体基 ECL 器件的实践探索依旧非常有限。如何拆解阳离子、阴离子分别发挥的作用,针对性筛选离子液体,同时配合器件结构设计,破解界面电荷输运难题,成为该领域亟待突破的关键课题。

离子液体精准调控搭配非对称器件架构,双管齐下破解ECL瓶颈

这项研究采用材料‑器件协同的完整技术路线,一方面解析离子液体阴阳离子各自的功能,筛选出高性能BMIMBF₄(1‑丁基‑3‑甲基咪唑四氟硼酸盐)离子液体作为核心电解质;另一方面创新设计Ag/FTO/ECL发光层/ ITO的非对称器件结构,把电解质的分子层面优化和器件宏观架构结合,协同改善界面电子转移、离子输运、光提取能力,最终打造UBECL超亮电化学发光器件。


图1. ECL器件材料与器件架构总览,包含电解质分子结构、器件工作机理、器件实物、性能对比、静电势分布、发光物质溶解性对比

研究团队首先把研究重心放在离子液体阴阳离子功能拆解上。研究选取经典发光分子三联吡啶钌六氟磷酸盐(Ru(bpy)3(PF6)2)作为发光中心,该物质氧化还原可逆性好,稳定性强,是ECL领域经典模型发光材料。研究选取四种离子液体:BMIMBF₄、BMIMTFSI、EMIMBF₄、EMIMTFSI,开展密度泛函理论(DFT)计算,对比分子轨道、静电势分布,区分阳离子、阴离子各自承担的角色。

计算结果揭示,阴离子和阳离子分工明确:BF₄⁻阴离子是电化学性能的主要贡献者,相比广泛使用的TFSI⁻阴离子,含BF₄⁻离子液体阳极、阴极侧本征电化学稳定性更高,分子最高占据轨道能级更低,在器件工作电压区间内更不容易发生界面分解。TFSI⁻体系更容易发生氧化还原副反应,和发光分子的氧化还原循环相互竞争,减少激发态分子生成,压制发光输出。

同时BF₄⁻阴离子位阻小、离子迁移率更高,能够实现更加高效的法拉第电子转移,抑制非辐射能量损耗。而 BMIM⁺阳离子主要负责改善发光分子溶解能力,静电势分析显示BMIM⁺极性弱于EMIM⁺,更容易形成疏水微区,依靠咪唑环与三联吡啶配体之间π‑π相互作用,大幅提升高浓度下钌配合物的溶解度。实验条件下,120mM高浓度时,只有BMIMBF₄体系可以形成均匀透明的发光溶液,其他离子液体会出现析出沉淀,发光层质量下降,直接损害器件性能。

仅仅优化电解质材料还不够,团队同步完成非对称器件结构创新,器件堆叠顺序为银反射层、FTO(氟掺杂氧化锡)、ECL发光功能层、ITO(铟锡氧化物)。传统ECL器件大多采用两套完全相同的透明电极,而这套非对称架构对电极材料功能进行分工。FTO电极表面具备微米级微观粗糙形貌,比表面积更大,能够提供更多发光分子吸附位点,促进界面电子转移与活性自由基生成;第一性原理计算也证实FTO电极界面能量环境更适配电化学反应,相比ITO 更有利于氧化还原过程进行。另一侧ITO电极拥有更高透光率,负责光线向外输出;额外增加的银(Ag)反射层,把反向传播的光反射向出光面,提升光提取效率,减少光损耗。有限时域差分仿真FDTD结果直观证明,引入银反射层之后器件内部光场强度得到明显提升。

器件制备流程兼顾简易性与可拓展性。基底选用商用ITO玻璃与FTO玻璃,依次使用洗涤剂、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗,再经过紫外臭氧处理提升表面活性。银层依靠热蒸镀沉积在FTO表面充当反射层。两片导电基底导电面向内,使用60微米厚度的隔离胶带控制发光层间隙。发光溶液在氮气手套箱内配置,将不同摩尔浓度的三联吡啶钌发光物溶解在 BMIMBF₄离子液体,充分搅拌。


图2. 电化学发光材料的电解质依赖型作用机制

依靠毛细作用力将发光电解液填充进入两片电极缝隙,热胶密封边缘防止漏液,液态UBECL器件就此制备完成。面向柔性固态应用,团队进一步开发固态离子凝胶体系,以PVDF‑HFP聚合物作为基体,混合离子液体与发光分子,丙酮作为共溶剂搅拌,真空烘干成膜,将固态发光膜夹在ITO‑PEN柔性塑料基底与刷涂银层之间,得到无封装也可水下工作的固态柔性ECL器件。还可以借助PI胶带做掩模,实现图案化发光器件制备,拼出文字图案,拓展显示应用场景。

为理解交流电场下离子迁移与发光动力学,团队使用COMSOL多物理场仿真工具搭建多维 ECL模型。模拟复现离子输运、反应速率与发光强度之间的关系,证实氧化还原反应速率越高,平均发光强度越高;当电极附近反应原料被消耗,发光强度达到峰值。模型解释了浓度、频率如何共同改变器件发光行为,为器件参数优化提供理论指导。在测试层面,团队搭建完整表征体系:波形发生器输出交流驱动信号,电流探头采集器件电流,硅光电二极管采集瞬态发光信号,全部置于暗盒消除环境光干扰,搭配LabVIEW程序完成自动化数据采集,结合电化学阻抗谱、原位紫外‑可见光谱电化学、扫描电镜完成材料与器件全维度表征,完整揭示性能提升背后的物理化学机制。

这套 “分子级电解质调控+非对称器件架构” 的组合方案,从分子溶解、界面电子传递、离子迁移、光提取多个环节同步消除性能短板,为实现高亮度、高频可工作ECL器件打下完整基础。

器件性能与应用落地:低电压、高亮度、高稳定性,多场景原型验证

依托BMIMBF₄离子液体与非对称器件架构,UBECL器件实现全方位性能跃升,对比广泛使用EMIMTFSI基准体系,在启亮电压、峰值亮度、电流效率、高频适应性、循环稳定性、发光均匀度多个维度实现显著提升,并且完成可穿戴传感可视化、七段数码显示、柔性固态水下器件多项原型展示,证实技术落地潜力。

核心电学光学性能方面,UBECL器件启亮电压低至±1.65V,低于对照组EMIMTFSI器件的±2.0V。在90Hz高频交流驱动、±3.5V电压条件下,120mM发光物浓度的UBECL器件实现1552cd/m2峰值亮度,同条件下EMIMTFSI基准器件仅输出58cd/m2,亮度提升3.2倍;最大电流效率达到1.6cd/A,几乎是EMIMTFSI体系(0.79cd/m2)的两倍。值得关注的是,传统EMIMTFSI器件最优工作频率仅1Hz,高频下亮度断崖式下跌,还伴随肉眼可见的闪光,无法满足实际显示需求。而UBECL最优工作点达到90Hz,可以实现无闪烁连续发光,甚至可以在400Hz以上频率维持发光输出,证明电极‑电解质界面拥有极强的动力学适配能力与稳定性。


图3. 智能ECL数码显示器件,对比UBECL与EMIMTFSI器件显示效果、循环性能、光谱电化学与发光均匀度对比

研究还发现一个此前未被报道的现象:器件最优工作频率会跟随发光物质浓度发生偏移。低浓度40mM条件下最优频率仅1Hz;当浓度提升至120mM,最优频率移动至90Hz。原理在于更高发光物浓度可以缩短分子扩散距离,缓解扩散限制,支持更快氧化还原循环,平衡活性中间体生成与消耗。电压扫描实验表明亮度随峰峰值电压上升而提高,在±3.5V达到最大值;电压继续升高,会触发电解液分解、发光分子降解等副反应,亮度反而下降,为后续驱动电路设计给出明确参数边界。阻抗测试证实BMIMBF₄体系电荷转移电阻更低,界面电子传递阻力更小,和理论计算结果相互印证。

在稳定性测试维度,UBECL表现出明显优势。连续工作模式下,UBECL器件可持续发光2小时,而EMIMTFSI对照组仅29分钟亮度就出现大幅衰减;亮度衰减到初始一半的时间,UBECL约为对照组两倍。十次循环开关测试中,UBECL依旧维持很高亮度输出,亮度是EMIMTFSI器件82倍。原位紫外‑可见光谱电化学直观展现差异:多次循环伏安扫描时,BMIMBF₄体系光谱信号保持稳定,而EMIMTFSI体系信号快速衰减,证明前者氧化还原可逆性更强,可以抑制副反应对发光分子的破坏。发光均匀性上,UBECL发光变异系数仅0.033,发光非常均匀;EMIMTFSI器件变异系数高达0.572,发光斑驳不均,直接影响显示观感。


图4. 基于柔性液态电化学发光器件的用户交互界面

基于优异器件性能,团队搭建多款应用原型。第一个原型是七段数码显示面板,每个显示单元尺寸7.8mm×2mm,由微控制器MCU控制,可以动态显示数字1‑9。UBECL面板多次切换循环,画面明亮稳定;对照组EMIMTFSI器件初次点亮之后亮度快速跌落,重复使用能力很差,证明UBECL有能力做轻量化数字交互面板,适配可穿戴设备、物联网终端简单数字输出场景。

第二个原型是可穿戴汗液葡萄糖可视化贴片,把UBECL发光器件和汗液葡萄糖传感系统集成。汗液中葡萄糖浓度改变,传感器输出电流信号经过放大、模数转换送入MCU,MCU直接控制ECL发光单元切换颜色,不需要外接屏幕就可以直观提示健康风险:蓝色代表葡萄糖处于健康区间,红色提示异常水平。整套系统由MCU、功率放大模块、信号调理电路组成,实现传感信号到视觉信号直接转化,面向糖尿病无创健康监测的可穿戴皮肤电子提供全新技术路径。


图5. 智能电化学发光显示器件工作示意图

第三类原型为柔性固态离子凝胶ECL器件。基于PVDF‑HFP离子凝胶的固态器件不需要额外封装,完全浸没水下依旧可以稳定发光,展现水下器件应用潜力。弯折测试中,器件弯曲至37mm曲率半径条件下持续工作;经过60次弯折循环,依旧保留初始亮度64%。同时实现图案化固态发光,制作出 “E”“C”“L” 字母发光图案,证明该技术可以面向纺织集成、防水柔性显示等特殊场景。除了红光三联吡啶钌体系,研究还使用FIrpic发光分子制备蓝光ECL器件,实现多色发光,为彩色显示打下基础。

综合来看,本项工作突破传统湮灭型 ECL器件亮度不足、无法高频稳定运行的桎梏。通过解析离子液体阴阳离子分工,选择适配的BMIMBF ₄ 电解质,搭配非对称电极架构,协同优化界面电荷传输、电化学稳定性与光提取效率。整套方案不需要复杂多层蒸镀工艺,器件架构简单,能够兼容液态与固态凝胶形态,适配柔性基底,在数字显示、可穿戴健康传感、水下特种光电器件展现出巨大潜力。这项研究为下一代低功耗柔性电化学发光光电系统提供完整的材料 ‑ 器件协同设计范式,也为后续可穿戴人机交互设备开辟新的技术方向。

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