微型光源因其小巧的体积和高光功率密度的特性，在显示、传感、医疗等领域展现出巨大的应用潜力，特别是在生物植入体方面，微型光源特别适用于对生物组织的微创成像和治疗。然而，传统的发光器件往往受到驱动电源相关组件的体积和重量限制，这在一定程度上阻碍了其应用。
英国圣安德鲁斯大学和德国科隆大学的联合研究团队成功开发了一种新型的微型磁电驱动有机发光二极管(OLED)器件，该器件采用独特的磁电换能技术，能够直接从低频交流磁场中吸收能量，并通过机械振荡的形式，将磁能高效地转换为电能，进而激发OLED层发光。这一突破性的器件体积仅为6.7 mm3，总重量约为50 mg，无线工况下平均辐射光强达到了40 μw/mm2。
研究人员表示，该器件具有非常优异的实用性和可拓展性，不仅能够在复杂散射环境中稳定工作，还可根据实际需求，更换发光层的磷光材料以实现不同波长的光辐射。此外，通过调整不同OLED器件的共振频率，该无线技术还支持在OLED阵列中进行精确寻址。相关成果发表在Science Advances 2024年第10期。
磁电驱动OLED光源
研究人员巧妙设计了一种磁电(ME)换能器衬底，该结构由上层的磁致伸缩金属(Metglas)和下层的压电陶瓷片(PZT)粘合而成，如图 1A所示。在交流磁场中，磁致伸缩材料的膨胀和伸缩使其对压电陶瓷产生应力，进而激发出交变电场，如图 1B所示。为了最大程度地提升感应应变和电压，交变磁场频率应与ME换能器的谐振频率一致。研究人员指出，尽管振动结构的材料疲劳可能会限制器件的寿命，但在连续5小时的实验中(约25亿次振动)，ME换能器的性能并未发生显著变化。
图1 磁电换能器的(A)结构和(B)响应曲线
在发光层的选择上，研究团队选用了以铱为基础的红光OLED，并将其沉积在ME换能器表面。相比于传统的LED器件，OLED的色域更广，能够在不同衬底上直接沉积，可以极大地降低设计和加工的复杂度，更易实现器件的小型化。团队成员中的Julian Butscher强调：“红光OLED不仅具有高辐射效率，而且其对生物组织的穿透力优于蓝光，这使得其在生物学应用中更具优势”。考虑到ME换能器表面材料的导电性，研究团队对衬底的外表面进行了绝缘处理，仅保留了电极区域，最后通过薄膜封装技术完成器件的封装(图 2)。
图2 (A)磁电效应OLED结构示意图;(B)无线OLED在磁场下发光;(C)器件大小对比
无线OLED阵列寻址
磁场能量的传递依赖于ME换能器的机械振动，而后者仅在共振状态下才能被有效激励。通过设计不同尺寸和形状的衬底结构，研究团队制造出了具有不同谐振频率的OLED器件，每个器件都拥有独特的磁场响应区间(图 3A)。利用这一特性，通过调节驱动磁场的频率，研究人员成功实现了对OLED阵列中单个器件的精确寻址，如图 3B所示，蓝色器件的谐振频率为130.5 kHz，而红色器件的谐振频率为139 kHz，二者并不会同时响应磁场的激励。
图3 (A)三种不同谐振频率的OLED光强-频率曲线;(B)不同频率磁场对OLED阵列的寻址激励
总结与展望
微型化的无线OLED光源将为无线显示、深层组织治疗、传感和成像等多种应用带来新的机遇。研究人员提出了一种突破性的磁电驱动OLED设计方案，制造了已知最小的无线OLED器件，能够在复杂环境下接收低频磁场供能并发光。当问及下一步的计划，Butscher表示：“我们正在进一步缩小器件的尺寸，并且已经开始与神经科学家展开合作，探索该技术在生物学领域的潜在应用。尽管在实现这些应用的过程中仍面临诸多挑战，但团队对其未来的发展持乐观态度，并期望在十年内能够将这种创新的无线OLED光源应用于人体检测等相关领域”。
