深远通科技科学家研发纯有机发光半导体，可用于体外非侵入式生物医学

用户投稿 2025年08月23日 02:44:02 16 0

科学家研发纯有机发光半导体，可用于体外非侵入式生物医学

“我们相信这次成果是一项关键进展，为半导体器件领域实现电泵浦有机激光二极管突破提供了重要借鉴。” 近日，华南理工大学教授吴宏滨向 DeepTech 介绍了自己团队最新发表的一篇 Nature Photonics 论文。

图 | 吴宏滨（来源：资料图）

研究中，该团队观察到迄今为止有机发光二极管（OLEDs，Organic Light-Emitting Diode）中的最小效率滚降，临界电流密度 J50 达到 100 A cm⁻²。这一数值是常规 OLEDs 的 1000 倍，表明其中蕴含着重要的科学机理。

在实现耐受大电流密度注入的基础上，在连续电注入为 2419 W Sr⁻¹ m⁻² 的情况下，该团队实现了具有前所未有的高辐射亮度的稳定近红外有机发光二极管，这比当前最先进的磷光 OLEDs 高出二十倍以上。

这些有机发光二极管器件在近红外辐射光功率输出等关键技术参数上，可与目前文献报道中性能最佳的钙钛矿发光二极管相媲美，代表了有机发光二极管器件产生电致红外发光的最前沿策略。

在脉冲电注入下，器件的辐射亮度达到 147 倍的地表太阳辐照度水平。这一亮度与 2023 年英国圣安德鲁大学团队在 Nature 报道的有机激光二极管性能相当[1]，表明其具有相当好的技术应用前景。在超过 1000 A cm⁻² 的高电流密度下，器件还实现了超过 10¹⁶ cm⁻³ 的高电注入单重态激子密度，这为实现器件内部粒子数分布反转，从而达到电注入激光阈值提供了现实可能。

据吴宏滨介绍称，该团队发现窄带隙有机稠环受体分子具有较高的荧光量子效率、极低的单重态激子-三重态激子湮灭速率和亚微秒级的三线态激子寿命，同时还观察到发光分子具有显著的三重态激子-三重态激子湮灭速率。这些特性对于快速消除不利于发光的三重态激子，以及通过三重态激子-三重态激子湮灭机制生成发光所需的单重态激子，从而确保器件在极大电流密度下保持初始发光效率具有十分重要的意义。

图 | 超高辐射亮度的有机近红外发光二极管性能参数。（来源：Nature Photonics）

将成为诊断、治疗和手术的强大平台

与可见光相比，近红外光被认为是“生物组织的光学窗口”，因为它允许生物组织进行更深的光穿透，从而呈现出更少的散射和吸收。当前已投入应用状态或正处于研发状态的近红外光源多以砷化镓 GaAs、含重金属的磷光 OLEDs 和钙钛矿发光二极管（含有毒铅元素 Pb），这些器件具有潜在的生物毒害性，以至于限制了它们在临床中的应用。

截至目前，将生物相容性光源集成到体内生物医学成像中仍然具有一定挑战，而此次实现的具有超高亮度电致发光、固有生物相容性的纯有机 OLEDs，能够为新型体外非侵入式生物医学成像诸如光学相干断层扫描（OCT，Optical Coherence Tomography）等奠定基础，这与通过注射荧光探针实现的体内生物医学成像方案相比，原则上更加便捷也更安全。

除此之外，近红外发光还可被用于安全防护监控、光通讯、半导体材料与工艺检测、激光光学检测、智能驾驶、屏下指纹辨识、病变细胞的检测、手术导航、脑机接口和脑科学等诸多领域。

“当然，以上愿景的实现需要各个领域、学科和专业的同行们一起努力。”吴宏滨表示。

（来源：Nature Photonics）

致力解决影响在 OLEDs 中实现超高亮度和电泵浦激光的关键因素

近红外波段的辐射（发光）有着广泛并且突出的价值，这主要得益于近红外光的若干重要特性。比如，与中长波红外的热成像技术不同的是，近红外光的光学成像原理与可见光类似，都是利用其较强的反射特性成像，来适合人眼的视觉习惯。因此，近红外光是一种理想的可见光成像补充光源，配合高灵敏度红外探测器使用，能够获得与可见光图像相媲美的高质量成像，从而能够用于针对各种物体的目标识别和检测分析。同时，相比可见光而言，近红外光由于不易受散射，因此有着较强的穿透能力，能在夜间以及雨雾霾等不良天气下成像。这也是当前智能汽车激光雷达使用近红外光源作为探测光的主要原因之一。

基于同样的原理，在生物体内或组织器件中，近红外光有着散射低和穿透深有点，因此更加容易获得分辨率较高的光学成像。

但是，能够满足各种应用场景所需的近红外光源，尤其是电驱动的近红外光源十分稀缺。现有的电驱动型近红外光源主要包括：卤素灯、无机半导体发光二极管和稀土激光器等，这些近红外光源往往存在着各种应用限制因素，比如材料来源稀缺、难以小型化集成在紧凑固体器件中、材料含有重金属以及造价昂贵等。

与之形成鲜明对比的是，使用有机半导体材料制备的近红外光源，具有材料来源丰富、制备工艺简单、成本低廉、生物兼容等突出优点，同时兼具光谱范围可调谐、光谱半高宽大和时间相干性低等优点，因此是多个领域的理想型红外光源之一。

有机近红外电致发光的起始研究可以追溯到 1990 年代。但是，长期以来，有机半导体材料的发光效率和发光强度远远无法满足实际应用需求，因而这个研究方向长期没有得到足够的关注。

2019 年，受到半导体光吸收过程和光发射过程之间的倒易规则原理启发，该团队开始使用在有机光伏材料领域中被用于电子受体材料的窄带隙有机稠环受体分子来作为发光材料，并将其用于制备高性能 OLEDs。

后来，该团队在 2022 年取得了突破性进展，结合有机分子激发态和光物理特性分析，他们发现了一些发光光谱范围覆盖 900-1400nm 的高性能近红外/短波红外发光分子[1], 其中最有代表性的几款有机半导体小分子材料，已经在有机太阳电池器件领域得到应用。

此外，通过适当的分子设计途径，可以最大程度地降低分子的无辐射振动损耗，从而提高此类材料的荧光量子效率（PLQY，Photoluminescence Quantum Yield）。经测试，其中的部分发光波长在 1000-1200nm 范围的近红外材料，其固态薄膜的荧光量子效率处于 1-10% 范围，远高于此前研究成果。所获得的发光器件的外量子效率（EQE，External Quantum Efficiency）达到 0.13%。尤为重要的是，器件工作电压极低、且最大辐照度高达 12.4 W sr-1 m-2 ，对应红外辐射通量密度为 3.9 mW cm-2 。这相当于地表上太阳辐照强度的 4% 左右，是此前文献报道最高值的 60 倍，并能在高功率下持续工作上千小时。正因此，这一研究也被视为是有机红外发光走向实用化的开创性工作。

（来源：Nature Photonics）

至此，该团队意识到，通过化学修饰调控和优化窄带隙有机稠环受体分子的结构，所获得的性能优异的有机半导体，不仅为降低有机太阳电池光子能量损失和提升器件效率提供了重要思路，也为获得高亮度的近红外电致发光奠定了分子结构基础和材料物理基础。

利用这种红外光源的优异特性，该团队演示了单晶硅片缺陷检测、穿透人体组织骨骼成像等初步应用，证明此类光源具有独特的应用场景以及具备初步的实用化水平，有助于推进有机红外光源在生物医疗、半导体产业和高容量局域网光通讯等领域的应用。

（来源：Nature Photonics）

除此之外，波长更长、发光峰处于 1100nm 的 OLEDs 光源，对于活体生物组织或塑料制片有着较好的穿透性，利用这些特性可以针对活体生物组织或小型生物进行无损的高分辨率实时在线成像。

图 | （a）利用有机红外光源 OLEDs 穿透小鱼所拍摄的红外影像；（b）该小鱼的可见光照片。（来源：该团队）

下图展示了该团队所研制的光源对于使用亚克力包封的锁钥门禁的透视，如图所示可以清楚看见其中的芯片。

图 | （a）常用钥匙门禁在有机红外光源 OLEDs 下的成像照片；（b）该钥匙门禁的可见光照片。（来源：该团队）

在新技术背景之下，为了满足夜视、生物医学成像、光通讯等领域对于更大红外光功率的需求，该团队在 2022 年开始了新的探索，旨在开发光功率更大的有机红外电致发光器件。

一般而言，在高电流密度注入条件下，OLEDs 中激子或载流子存在诸多的湮灭过程和竞争性损耗过程，这会导致器件效率出现严重下降，这种器件效率随着电流密度的增加而降低的现象被称为“效率滚降”，其中三重态激子对单重态激子的湮灭作用被认为是导致效率滚降的主要机制之一。

效率滚降存在于当今几乎所有的 OLEDs 中，成为限制 OLEDs 获得高亮度的限制性因素之一。对于 OLEDs 的效率滚降特性，人们一般采用临界电流密度 J50 来衡量，其物理含义在于器件的最大外量子效率降低至一半时所对应的电流密度。

目前来看，OLEDs 的临界电流密度 J50 一般在 0.1 A cm⁻² 量级。与此相对应的是，要想获得极高的光功率输出，比如电驱动有机激光器的实现，往往需要注入电流密度达到 1000 A cm⁻²。而 OLEDs 并不能在如此之高的电流密度下高效率发光，这也成为目前难以在 OLEDs 中实现超高亮度和电泵浦激光的关键因素。正是这些待解之题，促使该团队开始了本次研究。

参研人员当起“小白鼠”

在先前的研究中，该团队很早就观察到，很多基于窄带隙有机稠环受体分子的有机发光分子的 OLEDs，其临界电流密度 J50 远远高于常规 OLEDs。

但是，他们发现这还远远没有达到这类分子的极限潜能。吴宏滨和当时团队中的博士生刘万胜以及谢源研究员讨论之后，决定使用高热导率衬底和脉冲驱动的方式，进一步挖掘这类半导体材料的极限性能。 同时，他们也针对那些能被加以深入研究的有机分子，根据其基础光电子特性和器件特性做了筛选。

随后，他们初步选定了碳化硅、蓝宝石、金刚石薄膜作为器件衬底，以及选择具备高荧光量子产率和带隙合适的数个窄带隙有机稠环受体分子作为发光材料进行深入研究。

接着，他们设计了一系列实验，分析了材料特性以及器件中的激子动力学过程。在研制出超高亮度的近红外有机发光二极管器件之后，他们找了很多小型动植物、农作物和工业品开展成像应用。

期间，此次课题的参研人员也当起了“小白鼠”，他们使用自己制备的有机红外光源，来对手掌、骨关节等进行拍摄成像。

图 | 华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室吴宏滨教授团队成员。（来源：该团队）

最终，相关论文以《超高亮度近红外有机发光二极管》（Ultrahigh-radiance near-infrared organic light-emitting diodes）为题发在 Nature Photonics[1]。

刘万胜是第一作者，华南理工大学吴宏滨教授以及谢源博士担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Photonics）

后续，他们计划和国内外从事有机半导体激光的研究人员合作，将本次成果用于指导新材料的设计和开发，旨在进一步提高有机红外发光效率的荧光量子效率和器件耐受超高电流密度的特性，为实现电泵浦激光二极管器件做准备。

同时，他们也在开展更多的基础研究和应用研究，比如探索器件中的单线态激子之间的湮灭过程，将器件发光经高速调制之后将其用于数据光通信，并将和临床医学团队对接，探索针对人体重要器官进行实时生物医学成像的可能。

围绕本次研究的科学发现，该团队已经申请了两项中国发明专利。目前，他们也在积极筹备成立公司。

参考资料：

1.Yoshida, K., Gong, J., Kanibolotsky, A.L. et al. Electrically driven organic laser using integrated OLED pumping. Nature 621, 746–752 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06488-5

2.Xie, Y., Liu, W., Deng, W. et al. Bright short-wavelength infrared organic light-emitting devices. Nat. Photon. 16, 752–761 (2022). https://doi.org/10.1038/s41566-022-01069-w

3.Liu, W., Deng, W., Wang, W. et al. Ultrahigh-radiance near-infrared organic light-emitting diodes. Nat. Photon. (2025). https://doi.org/10.1038/s41566-025-01674-5

排版：初嘉实

无人配送规模化商用还有多远

当下，围绕物流配送“最后一公里”的市场竞争日趋白热化。不少电商巨头、自动驾驶公司、科技公司纷纷加入这场“地面+低空”的立体化竞逐。在技术、资本与政策的博弈中，无人配送行业前景几何？盈利拐点何时到来？大规模商用还有多远？围绕上述问题，《经济参考报》记者采访了多家企业相关负责人和业内专家。

无人配送何以受青睐

加快开放路权，联合各大快递物流企业，规模化开展城市快递分拨中心到社区快递网点的无人配送，并逐步拓展到生鲜、医药、快消品等领域；预计2027年，在全省部署1.5万辆以上低速无人配送车，形成全国首个全省域范围应用样板……这是山东省日前提出的全省域城市末端无人配送试点“路线图”。

这并非个例。目前，全国不少地方正在加速部署无人配送。比如，四川省遂宁市提出，2025年底将在遂宁各区县累计布局至少200辆无人驾驶配送车，涉及冷藏运输、快递物流等领域。江苏省苏州市也表示，2026年前在全市部署不少于1600辆低速无人配送车，确保无人配送车在各板块全面覆盖、稳定运营。

无人配送同样受到资本市场的青睐。近日，L4级城配自动驾驶产品研发和应用企业九识智能宣布，完成1亿美元B3轮融资交割；L4级无人驾驶商用车厂商新石器也完成人民币10亿元的C+轮融资。

无人配送缘何获得如此高关注度？中邮证券研报显示，2024年我国快递业务量达到1745亿件、快递业务收入1.4万亿元，而末端“最后五公里”的配送成本占比高达60%。在受访企业相关负责人口中，“应用场景丰富”“助力降本增效”不约而同成为关键词。

作为无人车领域最早的探索者之一，菜鸟2015年便开始研发无人车。菜鸟集团首席技术官兼菜鸟无人车总经理李强告诉记者，菜鸟无人车已在快递末端运输、城市零售补货配送等多个场景实际运营，运输降本达到30%至50%，效率提升2到3倍。

深耕无人车领域的还有新石器。“公司自主研发的L4级无人车已在全球13个国家100个城市实现商业化运营，累计交付超4000辆。”新石器无人车相关负责人介绍，无人车的应用使末端配送成本大幅降低。以日均8000件配送量的网点为例，使用无人车后件均成本降幅达70%。单车日均运件量可达千单，配送时效提升20%至30%。

在无人机领域，顺丰丰翼无人机围绕“急”“难”“险”“贵”不断探索新应用场景。“目前已实现高原、山地、城市、海岛等全地形覆盖，在快递配送、同城急送、应急救援、医疗运输、生鲜冷链等全场景下实现常态化运行。其中，大湾区日均飞行上千架次，日均运输单量2万单，较传统运输效率提升50%以上。”丰翼无人机政务总监陈孝辉说。

盈利拐点何时到来

“随着电商、生鲜、医药等行业的快速发展，消费者对配送效率和服务质量的要求越来越高，无人配送具有广阔的发展前景，市场规模将不断扩大。各大企业纷纷进入无人配送领域，有利于进一步推动技术创新，扩大应用场景。”北京物资学院物流学院教授王晓平对《经济参考报》记者表示。

对于诸多“押注”无人配送赛道的企业而言，商业化前景显然是明朗的。

“行深智能无人车目前已在多个快递场景实现规模化运营，并从最初的甩点直投扩展到中转运输、网格接驳、县乡村投递等多个场景。”行深智能总裁余桐表示，以3立方容积无人车为例，系列车型已在安徽南陵、安徽合肥等地进行规模化、常态化快递配送，单辆无人车每天运输快递件量可达800件以上。

“九识智能无人车产品已覆盖全国200余座城市，累计送单量突破3亿单，L4级运营安全里程超过2000万公里，单日可配送2000票快递，服务客户覆盖快递快运、生鲜商超、医药冷链、食品烘焙、汽配等多行业。”九识智能联合创始人潘余昌介绍。

“目前菜鸟的客户中，最大单体项目是使用30多台无人车进行末端快递配送，类似这样规模化使用的快递网点还在逐步增多。我们也在根据客户需求增加更多车型，譬如冷链车车型、快递柜车车型等，同时计划在现有容量5立方的车型外，新增容量至少为9立方的车型。”李强介绍。

进入商业化阶段之后，何时迎来盈利拐点？

“对客户来说，使用无人车可以大幅降低运营成本，3到5年左右就能收回成本。预计随着技术的发展，投入回报周期还有可能缩短，从而增强客户使用无人车的意愿。”李强透露，菜鸟正在不断升级自动驾驶等相关算法系统，从而更好地进行大规模调度，未来有可能形成大规模的共享无人车队，出现“按单收费”等商业模式。

潘余昌对记者表示，九识智能预计2025年交付量达万台后，硬件成本将进一步压缩，结合软件订阅收入，规模化盈利拐点将加速到来。

陈孝辉透露，目前丰翼无人机已在跨城公域物流、私域物流实现盈利，未来随着运单量提升、运营规模扩大，丰翼将从飞得多进入飞得好阶段，并实现全面盈利。

大规模商用有多远

受访人士提出，无人配送规模化商用已进入冲刺期，需要加快破除技术瓶颈、政策协同、成本压力以及场景碎片化等难题。

中国信息协会常务理事、国研新经济研究院创始院长朱克力分析称，激光雷达和视觉传感器的成本已降至商用临界点，车辆底盘设计和续航能力基本满足城市短途需求。算法端的路径规划、障碍物识别在简单场景中表现稳定。但车路协同体系尚未普及，红绿灯信息交互、专用车道划分等基础设施缺失，导致无人车孤立运行效率低下。

王晓平认为，对于一些非常规交通场景，如临时施工路段、突发的行人横穿等，无人配送车的决策系统还无法做出最优反应。此外，在城市密集区域，交通流量大、路况复杂，对无人配送车的实时数据处理和决策效率提出了更高要求，现有技术仍有提升空间。

区域差异和政策协同也是重要挑战。“例如，从区域看，东部沿海城市道路条件较好但配送需求复杂，中西部地区可能面临路网覆盖不足或地形限制等问题。”朱克力说。

王晓平还表示，目前针对无人配送的法律法规和监管体系尚未完善，在路权开放、责任划分、安全监管等方面的顶层设计还需强化。

对于无人机而言，陈孝辉坦言，目前遇到的主要困难在于飞行计划空域资源紧张、低空数据不互通、无线电干扰、企业投入大等。部分区域受这些因素影响，无法实现大规模常态化商业运营。

受访人士认为，相关部门应加快制定和完善相关政策法规，为无人配送大规模商用提供政策和法律保障。而突破“最后一公里”的核心，还在于重构物流价值链。比如，将前置仓的智能补货系统与无人配送调度实时联动，减少中转环节。另外，快递企业、车企、技术公司需形成利益共享机制，分摊研发和运维成本。当无人配送向更多高频刚需场景延伸时，边际成本优势将凸显。未来，无人配送也可能催生新的基础设施运营商，整合车辆调度、能源补给和数据处理，形成物流领域的“云服务”平台。（记者班娟娟）

来源：经济参考报