當像素尺寸減小到光波長以下時，有機發光二極管 (OLED) 的傳統堆疊幾何結構主要由尖銳的納米電極輪廓決定。這會導致空間不平衡的載流子傳輸和復合，從而導致外量子效率 (EQE) 降低和細絲形成，加速器件失效。在這里，研究人員通過用絕緣層選擇性鈍化納米電極邊緣來規避這些限制，同時在平坦區域定義納米孔徑。由此確保了可控的載流子復合并抑制了細絲生長。在展示金納米電極的高效空穴注入后，研究人員基于等離子體金貼片天線實現了可單獨尋址的亞波長 OLED 像素（300 納米 x 300 納米），用于光提取。我們實現了 1% 的 EQE、每平方米 3000 坎德拉的最大亮度和超過視頻速率的快速響應時間。該研究結果強調了一種可擴展的策略，可以克服納米級光電器件的關鍵電子和光學瓶頸，并展示了等離子體貼片天線在高密度、高性能 OLED 集成方面的潛力。

在有機半導體技術中，垂直多層架構可精確控制光電特性，應用涵蓋有機發光二極管（OLED）、有機光電探測器及垂直有機晶體管。近期技術進步主要由組件持續小型化驅動，例如芯片實驗室系統的微型晶體管結構、光遺傳刺激的微型 OLED，以及虛擬現實（VR）和增強現實（AR）顯示器的微型 OLED 像素。可穿戴設備的 AR 和 VR 顯示器需小尺寸、低功耗且無紗窗效應，這要求像素密度超每英寸 6000 像素。

無機 LED 亮度高，適合 AR 應用，但縮小至（亞）微米級時面臨制造挑戰與效率損失；而 OLED 因可擴展制造、成本效益及與半導體工藝的兼容性成為主流方案，其朗伯發射特性和有機半導體中高達 1 eV 的高激子結合能簡化了尺寸縮小。微型 OLED 技術基于互補金屬氧化物半導體（CMOS）背板上制造的頂部發射 OLED 像素，已報道的最小像素尺寸在 1-10 μm 之間。

本研究致力于開發亞波長像素，用于復雜近眼顯示器（如光場顯示器）和光子集成電路。亞波長小型化需考慮關鍵縮放效應，簡單縮小設備尺寸不可行。在有機器件中，雖有少數研究涉及納米級結中的電荷載流子傳輸和復合，但未實現顯示應用中納米級 OLED 單獨驅動所需的納米電極。單獨尋址面臨諸多挑戰：納米電極尖銳邊緣產生的局部電場會扭曲肖特基勢壘，改變電荷載流子注入機制，例如 < 100 nm 的二極管中，隧穿對電荷載流子注入的主要貢獻限制了低遷移率有機半導體器件性能；局部電場增強會導致電流密度熱點、電荷傳輸不平衡（圖 1C）及金屬絲形成，引發器件不穩定甚至失效（圖 1C 插圖）；納米制造電極的光刻邊緣缺陷會進一步放大這些影響。此外，小型化限制光輸出，OLED 像素發射功率隨（l/λ）² 下降（l 為像素尺寸，λ 為發射波長），導致亞波長尺度光學效率低下。

研究團隊此前報道將有源亞波長等離子體納米天線電極集成到橫向排列的 OLED 納米像素（納米 OLED）中，通過與天線耦合增強發射，但器件受局部場誘導細絲生長影響，易過早失效，且無法使用先進多層有機堆疊設計。

圖 1. 具有可單獨尋址底部納米電極的納米 OLED 像素的概念設計

（A）設備架構草圖（切開的爆炸視圖）：支持等離子體模式的亞波長金貼片電極用作底部陽極，納米電極邊緣和角落被絕緣，僅留中心納米孔徑（“絕緣納米孔徑”）以形成均勻電場分布區域；頂部依次為標準有機堆疊（空穴注入層 HIL、空穴傳輸層 HTL、發射層 EML、電子傳輸層 ETL）及延伸金屬頂部陰極。（B）沿（A）中 α-β 切開的截面：底部陽極的空間控制空穴注入與頂部陰極的電子注入，使發射層內納米孔徑上方形成激子，復合后激子耦合到金納米貼片的等離子體模式，產生強發射。（C）無納米孔徑的設備：不均勻載流子注入導致發射不良并促進細絲生長（右側插圖）。

本文提出一種 OLED 架構，將垂直器件堆疊與橫向定義的等離子體納米天線電極結合，同時抑制尖銳邊緣場熱點影響。與早期僅將無源等離子體散射體集成到標準 OLED 以抵消波導的研究相比，該概念（圖 1A、B）可實現可單獨尋址、穩定且高效的亞波長像素。

該架構通過絕緣層覆蓋電極，僅在中心留納米孔徑，隔離電極周邊角和邊緣，抑制從納米電極邊緣的空穴注入（圖 1A、B），從而減輕電場熱點的有害影響（圖 1C），實現器件穩定運行及平衡的電荷載流子傳輸和復合動力學（圖 1B）。發射極位置的激子耦合到用作底部陽極的金貼片天線等離子體模式，通過玻璃基板輻射到遠場。研究先在僅空穴器件中驗證通過單個金納米電極的納米孔徑控制空穴注入，再展示亞波長單獨尋址的垂直堆疊納米 OLED（300nm×300nm）。這些納米像素在高電流密度下保持穩定，外部量子效率（EQE）達 1% 范圍，最大亮度 3000 cd・m⁻²，像素切換速度超標準視頻幀速率（如 60 幀・s⁻¹）。該方法通過精確空間控制電荷載流子路徑，實現對納米級 OLED 結構中活性復合和發射區域的精確控制，并利用金納米電極的等離子體納米天線效應，是光電器件小型化的重要進步，對下一代超小型高分辨率顯示器及其他納米光電系統開發具有重要意義。

研究首先演示基于 1 μm×1 μm 金貼片的純空穴器件，驗證金作為高效陽極材料的應用；為實現完整 OLED，將可單獨尋址金貼片尺寸縮小至 300 nm×300 nm，通過納米電極的等離子體貼片天線模式實現光耦合輸出。

1）具有納米孔徑的金納米電極對 1 μm×1 μm 二次電極貼片的靜電模擬（圖 S1）顯示，電極邊緣電場增強三倍，角落增強六倍。二次金納米電極（1 μm×1 μm）通過標準電子束光刻（EBL）和熱金屬蒸發制造：在高真空環境中以 1.5 nm・s⁻¹ 蒸發速率沉積 50 nm 金膜，均方根表面粗糙度為 1 nm（圖 S2）；采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）雙層（PMMA 600K/950K）作為正性光刻膠，減少剝離后納米電極邊緣的結構缺陷（圖 S3 原子力顯微鏡 AFM 和掃描電子顯微鏡 SEM 圖像）。

為隔離邊緣和角落，采用第二種 EBL 工藝，使用高分辨率負性光刻膠氫倍半硅氧烷（HSQ）（49）在金納米電極頂部創建帶中心納米孔徑的絕緣層（圖 2）：在整個天線像素上應用梯度電子束劑量（電極中心零劑量至邊緣全劑量，圖 2A），經四甲基氫氧化銨（TMAH）去除未暴露 HSQ 抗蝕劑后，精確控制中心納米孔形狀和深度；輕敲模式 AFM 確認納米孔成功打開（圖 2B、D），剩余電連接墊絕緣以防止漏電流；通過高度稀釋的 Lugol 溶液對電極暴露金部分進行溫和氧化蝕刻，獲得干凈開放的納米孔；導電 AFM 測量（圖 2C）表明導電區域與納米孔精確重合，實現橫向定義的空穴注入。該方法對 300 nm×300 nm 小電極貼片同樣有效（圖 S4）。

圖 2. 具有納米孔徑的金納米電極

（A）EBL 工藝：HSQ（藍色）作為負性光刻膠覆蓋電極，交聯由漸變紅色表示的梯度電子束劑量控制；四甲基氫氧化銨（TMAH）堿性顯影時，根據交聯程度去除未曝光 HSQ，對曝光 HSQ 部分蝕刻。（B）兩個相鄰 1 μm×1 μm Au 電極（帶各自電連接器）的輕敲模式 AFM 圖像：除中央直徑 550 nm 的納米孔徑外，電極邊緣和連接器完全被 HSQ 覆蓋。（C）（B）中相同區域的導電 AFM 圖像：僅在孔徑內部注入電流（au 為任意單位）。（D）沿（B）中虛線灰色線的高度輪廓。

2）僅孔器件

為證實帶納米孔徑的金貼片天線可用作空穴注入電極，研究具有空穴注入陽極和電子阻擋陰極的純空穴器件（單極空穴傳輸），并對比基于圖 2 電極貼片制備的納米結（有效面積 2.4×10⁻⁹ cm²）與傳統宏結（有效面積 1.0×10⁻⁴ cm²，100 μm×100 μm）的性能（納米結有效面積比宏結小五個數量級，宏結邊緣效應可忽略）。

圖 3. 僅空穴宏結與納米結的電學特性和器件配置

（A）界面功能化材料 HAT-CN 和空穴傳輸材料 NPB 的分子結構。（B）器件結構：50 nm 厚金底部陽極（用 5 nm 超薄 HAT-CN 層功能化）、135 nm NPB 空穴傳輸層、140 nm 電子阻擋金陰極；平帶能量圖未考慮 HAT-CN 和 NPB 的費米能級釘扎。（C）施加電壓 V 超過內建電壓 V BI 時的工作原理：空穴注入由底部電極與 HAT-CN 界面層共同介導，注入空穴通過 NPB 的 HOMO 傳輸；頂部陰極因能壘較大，電子注入被阻止。（D）代表性宏結（紅線及右側插圖）和納米結（藍線及右側插圖）二極管的半對數電流密度 - 電壓特性；左側插圖突出反向偏壓下兩電極的阻斷特性。（E）3-8 V 范圍內空間電荷限制電流和 Poole-Frenkel 擬合的雙對數表示（（D）中虛線框）：從擬合結果推斷納米結中陷阱態絕對數量較低（灰色箭頭）。

選擇 N,N′- 二 (1 - 萘基)-N,N′- 二苯基 -(1,1′- 聯苯)-4,4′- 二胺（NPB，圖 3A）作為有機空穴傳輸材料（50），其最高占據分子軌道（HOMO）能級 - 5.4 eV，最低未占據分子軌道（LUMO）能級 - 2.4 eV；多晶金電極功函數 - 4.4 至 - 4.7 eV，NPB 的 LUMO 能級與金功函數不匹配，故金可用作電子阻擋頂部電極；1,4,5,8,9,11 - 六氮雜苯并菲六腈（HAT-CN，圖 3A）用于功能化 Au 底部接觸，Au/HAT-CN/NPB 界面能級排列由 HAT-CN LUMO 和 NPB HOMO 的費米能級釘扎決定。器件堆疊架構為 Au (50 nm)/HAT-CN (5 nm)/NPB (135 nm)/Au (140 nm)（圖 3B），施加電壓 V> V BI 時，空穴通過 Au 貼片電極與 HAT-CN 界面層注入，經 NPB HOMO 傳輸，頂部電極因 Au 費米能級與 NPB LUMO 間大肖特基勢壘，電子注入被阻止（圖 3C）。

對有無 HAT-CN 功能化的大結器件電流密度 - 電壓（J-V）特性曲線（圖 S5）證明 HAT-CN 界面功能化的有效性：HAT-CN 功能化后，10 V 時空穴電流增加 6 個數量級，空穴注入起始電壓僅 0.9 V。Kahn 等人描述 Au/NPB 界面形成 1.2 eV 界面偶極子，增加空穴注入勢壘；而超薄 HAT-CN 層功能化通過費米能級釘扎和相關界面偶極子，顯著降低空穴注入勢壘，使多晶金電極成為優良的空穴注入平臺。

圖 3D 顯示納米結和宏結的 J-V 特性對比：0 V 時電流密度偏差與納米結操作電壓低于源測量單元（約 1 pA）儀器分辨率有關；宏結和納米結的空穴注入起始電壓分別為 1.1 V 和 1.9 V，差異源于宏觀器件空穴注入和電流熱點概率較大，及金電極加工條件可能改變多晶金表面功函數和空穴注入勢壘；納米結在 20 至 - 20 V 電壓范圍內穩定，宏結僅在 12 至 - 12 V 穩定，更高電壓出現電擊穿，這是因器件面積與電極缺陷和細絲形成概率成正比，也體現邊緣和角落阻擋工藝的效率。

10 V 時，納米結和宏結電流密度分別達 1 A・cm⁻² 和 4 A・cm⁻²，較小偏差證實納米孔徑制造和氧化清洗后活性區域的清潔度；宏結電流密度較高可能源于低歐姆路徑上的電荷傳輸不均勻（56）；從圖 S6 可知，10 V 時納米結工作絕對電流僅 10 nA，比宏結（1 mA）低五個數量級。

有效空穴注入是 OLED 高效發光的先決條件（需低工作電壓下電流密度 1×10⁻³ 至 1×10⁻¹ A・cm⁻²）。阻斷比（正向與反向偏壓電流密度比）方面，納米結 20 V 時為 8×10²，宏結 10 V 時為 5×10³；納米結阻斷比低歸因于下方納米孔徑表面拓撲結構引起的頂部金接觸輕微彎曲（圖 1、2B、D），不同孔徑純空穴納米結的 J-V 特性（圖 S7）支持此點：較小納米孔徑直徑導致頂部接觸曲率更明顯，漏電流更高，阻塞比更低。

結合空間電荷限制電流模型假設與 Poole-Frenkel 型電荷載流子傳輸（考慮有機半導體內電荷載流子捕獲和電場輔助釋放，等式 1）擬合 J-V 特性：

（其中 ε₀為真空介電常數，εᵣ為 NPB 介電常數，μ₀為零場遷移率，V 為經內置電壓校正的施加電壓，d 為有機堆棧厚度，β 為 Poole-Frenkel 參數）。

以 μ₀和 β 為自由參數，擬合函數與宏結和納米結 3-8 V 范圍內測量的 J-V 特性高度吻合（圖 3E）（該電壓范圍避免深陷阱填充（低電壓）及隧道注入和焦耳加熱（高電壓））。宏結零場空穴遷移率為 1×10⁻⁵ cm²・V⁻¹・s⁻¹，納米結為 3×10⁻⁵ cm²・V⁻¹・s⁻¹，與 NPB 文獻值吻合（57）；Poole-Frenkel 參數 β 分別為宏結 5×10⁻³、納米結 2×10⁻³。較高空穴遷移率和較小 β 值表明納米結超小有效體積內陷阱態絕對數量較低，對空穴載流子傳輸影響較小。

為說明納米孔徑概念對器件穩定性和效率的益處，對比研究基于金貼片天線（1 μm×1 μm）的純空穴器件（含與不含納米孔徑）的電學特性（圖 4）：

圖 4. 基于金貼片天線（1 μm×1 μm）的純孔器件電氣特性

（A）含納米孔徑（藍線及插圖）與不含納米孔徑（紅線及插圖）的兩個代表性結的電流密度 - 電壓特性：結電壓從 0 V 循環三次；不含納米孔徑的貼片天線因細絲形成和斷裂，表現出不穩定行為。（B）含與不含納米孔徑的兩個代表性結的恒壓工作（5 V，直流）：不含納米孔徑的器件運行 3 分鐘后擊穿（可能因細絲形成），含納米孔徑的器件在 30 分鐘測量期內保持穩定。

J-V 循環（圖 4A）證明納米孔徑的有效性：含納米孔徑的金貼片天線顯示可靠確定的設備操作，不含納米孔徑的貼片天線循環中表現不穩定，電流突然躍升至上限歸因于金原子遷移導致低歐姆細絲形成（由電極邊緣三倍、角落六倍的電場增強引起，圖 S1），反向電壓后金細絲通常中斷，總電流再次由低歐姆路徑主導；含納米孔徑電極的器件無細絲形成趨勢，正向偏置 J-V 循環中僅表現微小滯后；因納米孔徑結的絕對電流小于無邊緣絕緣的結，J-V 循環已按比例縮放以便比較。

恒壓（5 V 直流）測試（圖 4B）顯示：未邊緣絕緣的器件運行 3 分鐘后電擊穿，納米孔徑器件的相對電流密度在 30 分鐘測量時間內完全穩定。

含納米孔徑的器件表現出出色可重復性（圖 5）：藍色區域標記 30 個單獨結的電流 - 電壓（I-V）特性絕對變化，紅色曲線對應圖 3 討論的納米結；20 V 正向和反向偏壓下，電流變化保持在一個數量級以內，表明納米孔徑尺寸和深度變化小，處理后 Au 界面質量高；91%（33 個中的 30 個）制備納米結對細絲形成穩定，證明納米孔徑器件有效邊緣覆蓋和表面質量的優勢；封裝器件在環境條件下至少 14 天功能完整，突出納米電極結構和金屬有機界面的穩定性；白光反射顯微照片（圖 5 插圖）顯示像素制造已并行化，可進一步集成到類似顯示器的陣列中（每個塊 11 個像素，垂直和水平像素間距分別為 2 和 10 μm，單個基板上制造三個塊（33 個像素），僅三個像素表現出與標準 J-V 行為的偏差）。

圖 5. 設備重現性

藍色區域表示 30 個獨立納米結的電流 - 電壓（I-V）特性絕對變化；20 V 時電流變化保持在一個數量級以內；紅色曲線對應圖 3 所示的納米結；插圖：電極布局的白光反射顯微照片（每個塊 11 個像素，垂直和水平像素間距 2 和 10 μm，顯示顯示應用的可擴展性）。

為向諧振等離子體納米天線小型化發展，研究更小電極貼片和相應孔徑：該概念對僅含孔的納米結（貼片天線尺寸 300 nm×300 nm，納米孔徑直徑 200 nm）同樣有效（圖 S4、S8）；J-V 特性（圖 S8A）與 1 μm×1 μm 電極貼片相當；阻塞比降低與較小納米孔徑直徑有關，但不影響器件在 10 V 直流電壓下超過 5.5 小時的卓越穩定性（圖 S8B），故該方法適合將亞波長尺寸的諧振等離子體貼片天線集成到垂直有機電子器件中。

3）納米級 OLED 像素

將納米孔徑概念應用于發光器件，制作基于圖 1 器件概念的納米 OLED，首次展示采用垂直多層架構的可單獨尋址亞波長納米 OLED 像素（300 nm×300 nm），通過等離子體貼片天線的輻射等離子體模式實現高效光耦合輸出。

圖 6 概述 OLED 架構和基本器件特性：圖 6A 為平帶能量圖和器件架構，底部陽極由 50 nm 厚 Au 納米電極（300 nm×300 nm）和 200 nm 直徑納米孔徑開口組成；5 nm HAT-CN 界面層促進空穴注入，隨后 30 nm NPB 為空穴傳輸層；發射層（30 nm）為嵌入 1,3 - 雙（N - 咔唑基）苯（mCP）中的熱活化延遲熒光（TADF）發射體 2-[4-(二苯氨基) 苯基]-10,10 - 二氧化物 - 9H - 噻噸 - 9 - 酮（TXO-TPA）（7 vol%），構成高效常用主體 - 發射體組合；發射層與頂部電極間為 75 nm 厚紅菲咯啉（Bphen）電子傳輸層；頂部陰極為 10 nm 厚鈣和 120 nm 厚鋁的平坦電子注入層；非對稱器件架構使激子復合遠離頂部陰極，避免陰極層猝滅；發射層內產生的激子耦合到等離子體金貼片天線電極的輻射等離子體模式，實現穿過玻璃基板的遠場輻射。

圖 6. 基于等離子體金貼片天線（300 nm×300 nm）的納米 OLED 設備光電特性

（A）平帶能量圖和器件架構：堆疊包括 HAT-CN（5 nm；空穴注入層）、NPB（30 nm；空穴傳輸層）、摻雜 TXO-TPA 的 mCP（30 nm；發射層）、Bphen（75 nm；電子傳輸和空穴阻擋層）、Ca（10 nm；電子注入層）、Al（120 nm；覆蓋電極）；光發射由金貼片天線底部電極的激子 - 等離子體耦合介導。（B）-15 至 + 15 V 間記錄的電流密度和電致發光（EL）電壓特性。（C）代表性像素的 EQE 與電流密度關系（EQE 值處于百分比范圍）。（D）代表性像素的亮度特性（峰值亮度～3000 cd・m⁻²，與使用相同發射材料的宏觀 OLED 相當；亮度根據 300 nm×300 nm 貼片天線面積計算）。

制備的納米 OLED 在正向和反向偏壓下穩定運行，J-V 不對稱性明顯（圖 6B）；光發射始于 5 V，電致發光（EL）強度隨施加電壓增加而增加（圖 6B）；與基于納米孔徑的純空穴器件結果一致，無細絲形成、短路或器件故障跡象，突出納米孔徑概念的穩健性和固有穩定性；像素可在正向和反向偏壓下可靠循環（圖 S9A）；實現高達 1% 的 EQE（圖 6C），像素間差異小（圖 S9B），表明高內部復合效率（高性能材料堆棧與納米孔徑結合確保納米尺度平衡的電荷載流子注入）；而無納米孔徑的納米 OLED 因金屬絲生長或不平衡注入，EQE 顯著降低（10⁻⁴至 10⁻²％）。

納米 OLED 器件實現約 3000 cd・m⁻² 的最大亮度（未達飽和），與使用相同發射材料的宏觀器件性能相當；瞬態 EL 表征（圖 S10）顯示，以 9 V 方波脈沖（占空比 10%）1 kHz（遠高于標準視頻幀速率）驅動時，器件開關動態快速，上升時間 50 μs，下降時間 100 μs，證實納米孔徑概念在下一代納米光電子器件中的可擴展性和應用潛力；高 EQE 和高亮度均受等離子體增強發射機制控制。

分析納米 OLED 像素的發光特性（圖 7）：為量化光耦合效率，基于圖 S11 簡化器件堆棧，使用有限差分時域（FDTD）方法（Ansys Lumerical）進行電磁模擬，采用垂直和水平方向電偶極子（代表發射層內統計分布的激子發射極方向），激發限制在 200 nm 直徑納米孔徑內的等離子體貼片天線模式，對偶極子位置橫向空間平均以解釋金貼片天線全范圍模式的貢獻。垂直偶極子主要與 650 nm 處主導 n₂₂模式耦合（圖 7A 插圖場分布和黑色虛線），低階模式（n₂₁、n₁₁和 n₁₀；圖 S12）通過光譜拖尾產生非共振貢獻（圖 7A 灰色虛線）；水平和垂直方向偶極子綜合貢獻導致整體光輸出效率約 5%（圖 7A 實線），與實驗測得的 EQE 一致。

圖 7. 金貼片天線（300 nm×300 nm）等離子體模式介導的納米 OLED 光發射

（A）模擬納米 OLED 堆棧的光輸出耦合效率（取 200 nm 納米孔徑內多個橫向分布點偶極子位置的平均值，偶極子位于金貼片上方 50 nm 處）；實線為水平和垂直方向偶極子的組合貢獻，虛線隔離垂直偶極子貢獻（說明與等離子體天線模式的耦合）；插圖：650 nm 處主要四極子 n₂₂模式的模擬電場分布（計算位置在金表面上方 15 nm 處）；n₂₂共振（黑色虛線）和低階模式（n₂₁、n₁₁和 n₁₀；灰色虛線）的貢獻為視覺引導。（B）15 V 下測得的歸一化 EL 光譜（灰色；天線耦合發射）；宏觀標準 OLED 光譜（分子發射）與模擬耦合輸出效率光譜（來自（A））的卷積與納米 OLED 光譜高度相似，證實主要與 n₂₂等離子體模式耦合；天線耦合發射和分子發射的歸一化差異光譜突出光譜整形。（C）代表性納米 OLED 像素的空間發射圖（像素區域和電接觸線以黃色覆蓋）；發射位于納米孔徑定義的像素中心；沿垂直和水平軸線切割顯示點狀發射圖案，半峰全寬（FWHM）低于 600 nm（受顯微鏡分辨率限制）。

圖 7B 中，納米 OLED 像素的 EL 光譜（15 V 下測得，灰色；天線耦合發射）與使用透明氧化銦錫陽極的標準宏觀 OLED 像素（像素面積 3 mm²）的 EL 光譜對比：標準 OLED 光譜（分子發射）與模擬耦合輸出效率光譜（圖 7A 實線）的卷積與納米 OLED 光譜高度接近；天線耦合發射和分子發射的差異光譜突出通過等離子體天線效應的光譜整形。對比納米 OLED 與基于 2 μm×2 μm 金電極的微型 OLED 的 EL 光譜（圖 S13）：微型 OLED 光譜因等離子體天線效應紅色失諧，與宏觀 OLED 光譜接近；納米 OLED 通過 300 nm×300 nm 金貼片天線在 600 nm 以上顯示明顯光譜整形，證實 TXO-TPA 發射的光譜整形源于與等離子體模式的耦合（特別是 650 nm 處的主導 n₂₂模式）。

圖 7C 展示納米 OLED 像素的空間 EL 分布（實際像素區域和電觸點以黃色突出），強度線切割確定發射點的半峰全寬（FWHM）低于 600 nm（受顯微鏡光學分辨率限制），凸顯等離子體貼片天線電極概念在高集成 OLED 顯示技術中的潛力。

納米電極上不均勻的三維電場分布是導致垂直納米光電結構中空間載流子注入不平衡、傳輸和復合效率低下及細絲形成器件故障的關鍵因素。為減輕這些有害縮放效應，研究引入通過策略性設計絕緣層選擇性鈍化金屬納米電極邊緣和角落，同時在平坦電極表面留納米級孔徑的概念，該納米孔徑對確保可靠光電器件特性和長期穩定性至關重要。

通過將電荷注入限制在均勻電場分布的平面界面，可完全抑制具有裸金納米電極（1 μm×1 μm）的純空穴器件中因邊緣誘導細絲形成導致的不穩定 J-V 特性。納米制造工藝可重復性高，可操作像素成功率超 90%，實現具有可單獨尋址納米級電極的有機（光）電子器件。純空穴配置中，帶納米孔徑和 HAT-CN 表面功能化的金納米電極開啟電壓低至 1.9 V，穩定性高達 20 V，性能優于 100 μm×100 μm 的宏觀對應物。

將帶納米孔徑的貼片天線集成到垂直納米 OLED 架構中，實現 300 nm×300 nm 的獨立可尋址像素（據知為迄今為止報道的 OLED 最小獨立可尋址像素尺寸）。這些納米 OLED 開啟電壓適中（~5 V），在寬偏置范圍（-15 至 + 15 V）和時間內穩定運行，瞬態響應超標準視頻幀速率。光發射由激子態與金納米貼片天線等離子體模式的耦合控制（電磁模擬和實驗觀察到的 EL 光譜形狀均支持），該等離子體介導的發射機制實現高達 1% 的 EQE、納米級像素區域的發射空間定位及 3000 cd・m⁻² 的亮度水平。

基于此概念的顯示應用需協調優化有機堆棧、貼片天線電極設計和精密納米制造：

有機堆棧優化：當前原型堆棧中，EQE 在較高電壓下接近飽和，源于空間電荷積累和不平衡載流子傳輸（空穴高效注入，電子需更高偏壓且穿過 75 nm 低遷移率傳輸層，導致界面載流子積累，需更高工作電壓補償內部電場并平衡復合），這是原型堆棧設計所致，非納米 OLED 概念根本限制；金貼片天線電極已實現低于 2 V 的高效空穴注入起始電壓，結合優化的 pin OLED 架構、摻雜傳輸層和特定限制層（如商用顯示器），預計可將工作電壓降至約 5 V，并進一步增強 EQE 以滿足現代顯示器要求。

天線設計定制：實施定制天線設計可實現激子發射極和輻射等離子體模式（59）之間更高效耦合，增強垂直和水平偶極子發射，可能將外耦合效率提高一個數量級，并實現強大光譜整形。

超高密度像素集成：這些進步需與超高密度像素集成（如每英寸超 10,000 像素）兼容（先進光刻技術（60）使之成為可能），但高密集成面臨相鄰像素間電和光串擾（61）等挑戰，需對天線結構、有機堆疊架構和納米制造協議進行精心協同設計。

統一應對這些挑戰的方法將在超高分辨率納米顯示器、片上光子集成和下一代納米光電子器件領域帶來突破。

1）僅空穴宏結的制造

基板清洗：玻璃基板（Karl Hecht；厚度 170 μm）依次在含 Mucasol 清潔劑（schuelke）的雙蒸水（CarlRoth）、雙蒸水、丙酮和異丙醇中超聲清洗（每次 15 分鐘），氮氣流中干燥。

結面積定義：結有效面積由垂直底部和頂部接觸條帶的重疊部分定義；通過不銹鋼蔭罩（Beta LAYOUT GmbH）將每個接觸條帶寬度限定為 100 μm，形成 100×100 μm² 結面積。

金屬與有機薄膜沉積：金屬觸點和有機薄膜在兩個獨立真空室中沉積（避免有機材料污染），沉積速率和厚度用石英晶體微天平監測；金（純度 99.99%）從商用鉬舟源（Kurt J. Lesker）蒸發，基底壓力低于 3×10⁻⁶ mbar，沉積速率 1.5 nm・s⁻¹，金底部觸點沉積厚度 50 nm；轉移到有機室過程中，底部觸點在黃光下暴露于環境條件 5-10 分鐘。

有機材料蒸發：有機材料通過電阻加熱從氮化硼坩堝中蒸發，基底壓力 10⁻⁹ mbar；HAT-CN 和 NPB 購自 Ossila（雙升華級和升華級，無需進一步純化），通過覆蓋底部觸點的大面積蔭罩沉積；5 nm HAT-CN 沉積速率 2 nm・min⁻¹，135 nm NPB 沉積速率 8 nm・min⁻¹；不含 HAT-CN 的參考器件沉積 140 nm NPB。

頂部觸點與封裝：樣品轉移過程中在環境光中暴露 10 分鐘，然后在金屬腔體中沉積 140 nm 厚金頂部觸點；最后在手套箱 [Jacomex；0.0 ppm O₂和 0.0 ppm H₂O] 中，用玻璃載玻片和環氧樹脂（LOCTITE EA9492 LI）封裝器件，防止測量過程中氧氣和水滲透。

2）僅空穴納米結和納米 OLED 的制造

電極布局制作：采用光學光刻技術（AR-U4030，Allresist GmbH）制作電極布局；顯影后用水沖洗樣品，進行等離子清洗 [200 W，60 s，10 標準立方厘米 / 分鐘 (SCCM) 氧氣]；通過電子束物理氣相沉積，以 1 nm・s⁻¹ 速率沉積 10 nm 鉻粘附層，再沉積 70 nm 金層；使用剝離工藝在丙酮中去除光掩模；將圖案化基板依次在去離子水、丙酮和異丙醇中超聲清洗 10 分鐘，進行氧氣等離子清洗 10 分鐘（功率 250 W；氧氣流量 20 SCCM）確保表面無殘留。

高分辨率 EBL 準備：將由 100 nm PMMA 600K 和 20 nm PMMA 950K（Allresist GmbH）組成的雙層光刻膠旋涂在清潔基板上，150°C 烘烤 3 分鐘；旋涂導電光刻膠（Electra 92，Allresist GmbH）作為放電層；使用蔡司 SEM Gemini 450 電子束成像系統進行電子束圖案化（加速電壓 30 kV，束流 35 pA），天線圖案典型曝光劑量約 800 μC・cm⁻²。

顯影過程（室溫）：①水中浸泡 20 秒去除導電抗蝕劑；②3:1 甲基異丁基酮：異丙醇混合物中浸泡 60 秒顯影 PMMA 圖案；③異丙醇沖洗 30 秒停止顯影；④氮氣流干燥。

金層沉積與剝離：在低于 3×10⁻⁶ mbar 基礎壓力下以 1.5 nm・s⁻¹ 沉積速率熱蒸發 50 nm Au 層；通過在丙酮（分析級）中浸泡過夜完成剝離，然后進行 10 秒超聲波攪拌。

平面化層與 HSQ 層構建：旋涂 100 nm HSQ（SX AR-N 8200，Allresist GmbH）與導電抗蝕劑作為平面化層；使用第二個 EBL 步驟構建 HSQ 層，對天線貼片施加 0-100% 的 2250 μC・cm⁻² 梯度劑量，對剩余絕緣層施加 2250 μC・cm⁻² 恒定劑量；室溫下使用 1% TMAH 水溶液顯影；通過 AFM 掃描驗證天線結構顯影質量。

絕緣與清洗：旋涂約 800 nm 厚 PMMA 層，防止底部金連接器與頂部金屬電極間直接或寄生電接觸；進行第三步 EBL，打開與天線區域對齊的窗口定義像素；使用高度稀釋的盧戈氏溶液（1:2000）進行氧化清洗 8-10 秒，最后用水沖洗。

有機層與頂部接觸沉積：將孔徑 140 μm×100 μm 的不銹鋼蔭罩 (Beta LAYOUT GmbH) 對準納米電極陣列；有機層沉積完成后，將孔徑稍大 (200 μm×120 μm) 的蔭罩對準用于頂部接觸，用拉力繩固定蔭罩（對準過程需約 45 分鐘環境光照射）；有機層沉積按宏結沉積步驟進行：mCP 購自 Ossila（未升華級，通過梯度升華純化），TXO-TPA 購自 Lumtec（升華級，無需進一步純化），Bphen（分光光度級，>99.0%）購自 Sigma-Aldrich（直接使用）；以 2 nm・min⁻¹ 沉積 5 nm HAT-CN，4 nm・min⁻¹ 沉積 30 nm NPB；發射層（30 nm）由分別裝有 mCP 和 TXO-TPA 的坩堝共蒸發（調整沉積速率比實現 7 vol% TXO-TPA 摻雜，總沉積速率 7 nm・min⁻¹）；以 6 nm・min⁻¹ 沉積 75 nm Bphen。

頂部接觸與封裝：有機層沉積后按上述方法對準第二個蔭罩；頂部接觸在手套箱集成系統（Leybold）中進行，以 0.2-0.3 Å・s⁻¹ 沉積 10 nm Ca 層，2-3 Å・s⁻¹ 沉積 120 nm Al 層（同時以 16 rpm 旋轉樣品）；然后在手套箱內按之前描述的相同步驟封裝器件，無需進一步暴露于環境條件下（圖 S14 為簡化流程示意圖）。

3）原子力顯微鏡使用

 Veeco Dimension Icon，以標準輕敲模式 AFM 探針（NanoWorld，NCHR；320 kHz，42 N・m⁻¹）記錄輕敲模式 AFM 形貌圖像；使用同一儀器配合 TUNA 應用模塊和導電 AFM 探針（NanoWorld，SCM-PIC；13 kHz，0.2 N・m⁻¹），以接觸模式記錄導電 AFM 圖像（研究電極接地，施加 100 mV 偏壓）；數據分析在 Gwyddion（62）中進行。

4）（光）電子器件特性

僅空穴宏結：使用 B1500A 半導體參數分析儀（Keysight Technologies）記錄電流密度 - 電壓特性；通過安裝在三軸探針臂（FormFactor Inc.）和微操作器（DPP210，FormFactor Inc.）上的鎢探針針（FormFactor Inc.）建立接觸。

納米結：使用源表單元 Keithley 2636B（Keithley Instruments Inc.）施加電壓；通過安裝在三軸探針臂（Cascade Microtech）和微操作器（DPP 220，Cascade Microtech）上的銅鈹探針針（Semprex Corp.）建立接觸；以 100 mV 電壓步長和 20 ms 積分時間測量僅空穴納米結的電流密度 - 電壓特性，源限制設置為 100 nA。

納米 OLED 器件：通過油浸顯微鏡物鏡 [Plan-Apochromat，100×，數值孔徑 (NA)=1.45；尼康] 記錄 EL，通過配備電子倍增電荷耦合器件 (iXon A-DU897-DC-BVF，Andor，EM 增益 100) 的光譜儀 (Shamrock 303i，80 線・mm⁻¹，閃耀于 600 nm 或鏡子) 分析；源表單元和電子倍增電荷耦合器件相機通過 LabVIEW 程序同步進行相關數據分析；采用連續恒定電壓步驟測量電壓相關光譜，記錄光譜的典型積分時間為 0.1 s 至 1 s；考慮光學裝置檢測效率（圖 S15），根據 EL 光譜計算 EQE；亮度根據國際照明委員會 (CIE) 計算：先根據檢測到的光子強度（面積歸一化的 EL 光譜加權）計算輻射功率（瓦 / 納米），再將輻射功率與 555 nm 處發光效率（CIE 標準，683 lm・W⁻¹）加權并與明視發光效率函數積分得到光通量（流明），最后假設半球形朗伯輻射，推導出亮度（坎德拉 / 平方米）并歸一化為 300 nm×300 nm 的貼片天線面積。

5）瞬態 EL 特性

納米 OLED 像素：由函數發生器（DS345，斯坦福研究系統公司）產生的方波電壓信號電驅動（頻率 1 kHz，峰峰值幅度 - 1 至 9 V，占空比 10%（9 V “開啟” 狀態持續時間，每個周期 100 μs））；函數發生器的同步輸出作為時間數字轉換器（quTAU；時間分辨率 80 ps）的參考起始信號；使用油浸物鏡（Plan-Apochromat，100×，NA=1.45；尼康）收集 EL，聚焦到單光子雪崩光電二極管（APD；SPCM-AQR-13，Excelitas）上；來自 APD 的晶體管 - 晶體管邏輯脈沖用作時間相關單光子計數測量的停止信號；quTAU 記錄開始和停止信號間的時間延遲，生成箱寬 80 ns 的直方圖。

宏觀參考 OLED：使用自制裝置表征，通過微操作器（DPP210，FormFactor Inc.）、屏蔽三軸探測臂（100525，FormFactor Inc.）和鎢針（PTT-120，FormFactor Inc.）接觸 OLED 像素；使用光電倍增管 (PMT) 結合收集透鏡檢測 EL；使用電流放大器（DHPCA-100，高速模式，放大倍數 10³）放大 PMT 輸出信號，通過示波器（TDS 3032，Tektronix）在 50 歐姆輸入阻抗下監測；使用脈沖發生器（Hewlett Packard）對 OLED 像素偏置，通過設置為 1 兆歐姆輸入阻抗的第二個示波器輸入建立電壓波形和 EL 信號間的同步。

6）數值模擬

使用 Ansys Lumerical 中麥克斯韋方程求解器進行三維 FDTD 模擬；在等離子體納米貼片區域應用高分辨率網格（所有維度均為 1 納米）確保精確場分辨率；所有模擬邊界采用完美匹配層 (PML) 消除人為背向反射；為近似無限幾何結構，頂部陰極、有機疊層和玻璃基板均延伸至 PML 區域；使用 PML 邊界條件將金電連接器建模為半無限結構；所有模擬中使用電偶極子點源作為激發源；為增強模式可視化，使用不帶電連接器的金納米貼片模擬模場分布；光輸出耦合模擬使用連接的金納米貼片結構進行（圖 S11）。來源：譯自科學進展