当像素尺寸减小到光波长以下时，有机发光二极管 (OLED) 的传统堆叠几何结构主要由尖锐的纳米电极轮廓决定。这会导致空间不平衡的载流子传输和复合，从而导致外量子效率 (EQE) 降低和细丝形成，加速器件失效。在这里，研究人员通过用绝缘层选择性钝化纳米电极边缘来规避这些限制，同时在平坦区域定义纳米孔径。由此确保了可控的载流子复合并抑制了细丝生长。在展示金纳米电极的高效空穴注入后，研究人员基于等离子体金贴片天线实现了可单独寻址的亚波长 OLED 像素（300 纳米 x 300 纳米），用于光提取。我们实现了 1% 的 EQE、每平方米 3000 坎德拉的最大亮度和超过视频速率的快速响应时间。该研究结果强调了一种可扩展的策略，可以克服纳米级光电器件的关键电子和光学瓶颈，并展示了等离子体贴片天线在高密度、高性能 OLED 集成方面的潜力。

在有机半导体技术中，垂直多层架构可精确控制光电特性，应用涵盖有机发光二极管（OLED）、有机光电探测器及垂直有机晶体管。近期技术进步主要由组件持续小型化驱动，例如芯片实验室系统的微型晶体管结构、光遗传刺激的微型 OLED，以及虚拟现实（VR）和增强现实（AR）显示器的微型 OLED 像素。可穿戴设备的 AR 和 VR 显示器需小尺寸、低功耗且无纱窗效应，这要求像素密度超每英寸 6000 像素。

无机 LED 亮度高，适合 AR 应用，但缩小至（亚）微米级时面临制造挑战与效率损失；而 OLED 因可扩展制造、成本效益及与半导体工艺的兼容性成为主流方案，其朗伯发射特性和有机半导体中高达 1 eV 的高激子结合能简化了尺寸缩小。微型 OLED 技术基于互补金属氧化物半导体（CMOS）背板上制造的顶部发射 OLED 像素，已报道的最小像素尺寸在 1-10 μm 之间。

本研究致力于开发亚波长像素，用于复杂近眼显示器（如光场显示器）和光子集成电路。亚波长小型化需考虑关键缩放效应，简单缩小设备尺寸不可行。在有机器件中，虽有少数研究涉及纳米级结中的电荷载流子传输和复合，但未实现显示应用中纳米级 OLED 单独驱动所需的纳米电极。单独寻址面临诸多挑战：纳米电极尖锐边缘产生的局部电场会扭曲肖特基势垒，改变电荷载流子注入机制，例如 < 100 nm 的二极管中，隧穿对电荷载流子注入的主要贡献限制了低迁移率有机半导体器件性能；局部电场增强会导致电流密度热点、电荷传输不平衡（图 1C）及金属丝形成，引发器件不稳定甚至失效（图 1C 插图）；纳米制造电极的光刻边缘缺陷会进一步放大这些影响。此外，小型化限制光输出，OLED 像素发射功率随（l/λ）² 下降（l 为像素尺寸，λ 为发射波长），导致亚波长尺度光学效率低下。

研究团队此前报道将有源亚波长等离子体纳米天线电极集成到横向排列的 OLED 纳米像素（纳米 OLED）中，通过与天线耦合增强发射，但器件受局部场诱导细丝生长影响，易过早失效，且无法使用先进多层有机堆叠设计。

图 1. 具有可单独寻址底部纳米电极的纳米 OLED 像素的概念设计

（A）设备架构草图（切开的爆炸视图）：支持等离子体模式的亚波长金贴片电极用作底部阳极，纳米电极边缘和角落被绝缘，仅留中心纳米孔径（“绝缘纳米孔径”）以形成均匀电场分布区域；顶部依次为标准有机堆叠（空穴注入层 HIL、空穴传输层 HTL、发射层 EML、电子传输层 ETL）及延伸金属顶部阴极。（B）沿（A）中 α-β 切开的截面：底部阳极的空间控制空穴注入与顶部阴极的电子注入，使发射层内纳米孔径上方形成激子，复合后激子耦合到金纳米贴片的等离子体模式，产生强发射。（C）无纳米孔径的设备：不均匀载流子注入导致发射不良并促进细丝生长（右侧插图）。

本文提出一种 OLED 架构，将垂直器件堆叠与横向定义的等离子体纳米天线电极结合，同时抑制尖锐边缘场热点影响。与早期仅将无源等离子体散射体集成到标准 OLED 以抵消波导的研究相比，该概念（图 1A、B）可实现可单独寻址、稳定且高效的亚波长像素。

该架构通过绝缘层覆盖电极，仅在中心留纳米孔径，隔离电极周边角和边缘，抑制从纳米电极边缘的空穴注入（图 1A、B），从而减轻电场热点的有害影响（图 1C），实现器件稳定运行及平衡的电荷载流子传输和复合动力学（图 1B）。发射极位置的激子耦合到用作底部阳极的金贴片天线等离子体模式，通过玻璃基板辐射到远场。研究先在仅空穴器件中验证通过单个金纳米电极的纳米孔径控制空穴注入，再展示亚波长单独寻址的垂直堆叠纳米 OLED（300nm×300nm）。这些纳米像素在高电流密度下保持稳定，外部量子效率（EQE）达 1% 范围，最大亮度 3000 cd・m⁻²，像素切换速度超标准视频帧速率（如 60 帧・s⁻¹）。该方法通过精确空间控制电荷载流子路径，实现对纳米级 OLED 结构中活性复合和发射区域的精确控制，并利用金纳米电极的等离子体纳米天线效应，是光电器件小型化的重要进步，对下一代超小型高分辨率显示器及其他纳米光电系统开发具有重要意义。

研究首先演示基于 1 μm×1 μm 金贴片的纯空穴器件，验证金作为高效阳极材料的应用；为实现完整 OLED，将可单独寻址金贴片尺寸缩小至 300 nm×300 nm，通过纳米电极的等离子体贴片天线模式实现光耦合输出。

1）具有纳米孔径的金纳米电极对 1 μm×1 μm 二次电极贴片的静电模拟（图 S1）显示，电极边缘电场增强三倍，角落增强六倍。二次金纳米电极（1 μm×1 μm）通过标准电子束光刻（EBL）和热金属蒸发制造：在高真空环境中以 1.5 nm・s⁻¹ 蒸发速率沉积 50 nm 金膜，均方根表面粗糙度为 1 nm（图 S2）；采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）双层（PMMA 600K/950K）作为正性光刻胶，减少剥离后纳米电极边缘的结构缺陷（图 S3 原子力显微镜 AFM 和扫描电子显微镜 SEM 图像）。

为隔离边缘和角落，采用第二种 EBL 工艺，使用高分辨率负性光刻胶氢倍半硅氧烷（HSQ）（49）在金纳米电极顶部创建带中心纳米孔径的绝缘层（图 2）：在整个天线像素上应用梯度电子束剂量（电极中心零剂量至边缘全剂量，图 2A），经四甲基氢氧化铵（TMAH）去除未暴露 HSQ 抗蚀剂后，精确控制中心纳米孔形状和深度；轻敲模式 AFM 确认纳米孔成功打开（图 2B、D），剩余电连接垫绝缘以防止漏电流；通过高度稀释的 Lugol 溶液对电极暴露金部分进行温和氧化蚀刻，获得干净开放的纳米孔；导电 AFM 测量（图 2C）表明导电区域与纳米孔精确重合，实现横向定义的空穴注入。该方法对 300 nm×300 nm 小电极贴片同样有效（图 S4）。

图 2. 具有纳米孔径的金纳米电极

（A）EBL 工艺：HSQ（蓝色）作为负性光刻胶覆盖电极，交联由渐变红色表示的梯度电子束剂量控制；四甲基氢氧化铵（TMAH）碱性显影时，根据交联程度去除未曝光 HSQ，对曝光 HSQ 部分蚀刻。（B）两个相邻 1 μm×1 μm Au 电极（带各自电连接器）的轻敲模式 AFM 图像：除中央直径 550 nm 的纳米孔径外，电极边缘和连接器完全被 HSQ 覆盖。（C）（B）中相同区域的导电 AFM 图像：仅在孔径内部注入电流（au 为任意单位）。（D）沿（B）中虚线灰色线的高度轮廓。

2）仅孔器件

为证实带纳米孔径的金贴片天线可用作空穴注入电极，研究具有空穴注入阳极和电子阻挡阴极的纯空穴器件（单极空穴传输），并对比基于图 2 电极贴片制备的纳米结（有效面积 2.4×10⁻⁹ cm²）与传统宏结（有效面积 1.0×10⁻⁴ cm²，100 μm×100 μm）的性能（纳米结有效面积比宏结小五个数量级，宏结边缘效应可忽略）。

图 3. 仅空穴宏结与纳米结的电学特性和器件配置

（A）界面功能化材料 HAT-CN 和空穴传输材料 NPB 的分子结构。（B）器件结构：50 nm 厚金底部阳极（用 5 nm 超薄 HAT-CN 层功能化）、135 nm NPB 空穴传输层、140 nm 电子阻挡金阴极；平带能量图未考虑 HAT-CN 和 NPB 的费米能级钉扎。（C）施加电压 V 超过内建电压 V BI 时的工作原理：空穴注入由底部电极与 HAT-CN 界面层共同介导，注入空穴通过 NPB 的 HOMO 传输；顶部阴极因能垒较大，电子注入被阻止。（D）代表性宏结（红线及右侧插图）和纳米结（蓝线及右侧插图）二极管的半对数电流密度 - 电压特性；左侧插图突出反向偏压下两电极的阻断特性。（E）3-8 V 范围内空间电荷限制电流和 Poole-Frenkel 拟合的双对数表示（（D）中虚线框）：从拟合结果推断纳米结中陷阱态绝对数量较低（灰色箭头）。

选择 N,N′- 二 (1 - 萘基)-N,N′- 二苯基 -(1,1′- 联苯)-4,4′- 二胺（NPB，图 3A）作为有机空穴传输材料（50），其最高占据分子轨道（HOMO）能级 - 5.4 eV，最低未占据分子轨道（LUMO）能级 - 2.4 eV；多晶金电极功函数 - 4.4 至 - 4.7 eV，NPB 的 LUMO 能级与金功函数不匹配，故金可用作电子阻挡顶部电极；1,4,5,8,9,11 - 六氮杂苯并菲六腈（HAT-CN，图 3A）用于功能化 Au 底部接触，Au/HAT-CN/NPB 界面能级排列由 HAT-CN LUMO 和 NPB HOMO 的费米能级钉扎决定。器件堆叠架构为 Au (50 nm)/HAT-CN (5 nm)/NPB (135 nm)/Au (140 nm)（图 3B），施加电压 V> V BI 时，空穴通过 Au 贴片电极与 HAT-CN 界面层注入，经 NPB HOMO 传输，顶部电极因 Au 费米能级与 NPB LUMO 间大肖特基势垒，电子注入被阻止（图 3C）。

对有无 HAT-CN 功能化的大结器件电流密度 - 电压（J-V）特性曲线（图 S5）证明 HAT-CN 界面功能化的有效性：HAT-CN 功能化后，10 V 时空穴电流增加 6 个数量级，空穴注入起始电压仅 0.9 V。Kahn 等人描述 Au/NPB 界面形成 1.2 eV 界面偶极子，增加空穴注入势垒；而超薄 HAT-CN 层功能化通过费米能级钉扎和相关界面偶极子，显著降低空穴注入势垒，使多晶金电极成为优良的空穴注入平台。

图 3D 显示纳米结和宏结的 J-V 特性对比：0 V 时电流密度偏差与纳米结操作电压低于源测量单元（约 1 pA）仪器分辨率有关；宏结和纳米结的空穴注入起始电压分别为 1.1 V 和 1.9 V，差异源于宏观器件空穴注入和电流热点概率较大，及金电极加工条件可能改变多晶金表面功函数和空穴注入势垒；纳米结在 20 至 - 20 V 电压范围内稳定，宏结仅在 12 至 - 12 V 稳定，更高电压出现电击穿，这是因器件面积与电极缺陷和细丝形成概率成正比，也体现边缘和角落阻挡工艺的效率。

10 V 时，纳米结和宏结电流密度分别达 1 A・cm⁻² 和 4 A・cm⁻²，较小偏差证实纳米孔径制造和氧化清洗后活性区域的清洁度；宏结电流密度较高可能源于低欧姆路径上的电荷传输不均匀（56）；从图 S6 可知，10 V 时纳米结工作绝对电流仅 10 nA，比宏结（1 mA）低五个数量级。

有效空穴注入是 OLED 高效发光的先决条件（需低工作电压下电流密度 1×10⁻³ 至 1×10⁻¹ A・cm⁻²）。阻断比（正向与反向偏压电流密度比）方面，纳米结 20 V 时为 8×10²，宏结 10 V 时为 5×10³；纳米结阻断比低归因于下方纳米孔径表面拓扑结构引起的顶部金接触轻微弯曲（图 1、2B、D），不同孔径纯空穴纳米结的 J-V 特性（图 S7）支持此点：较小纳米孔径直径导致顶部接触曲率更明显，漏电流更高，阻塞比更低。

结合空间电荷限制电流模型假设与 Poole-Frenkel 型电荷载流子传输（考虑有机半导体内电荷载流子捕获和电场辅助释放，等式 1）拟合 J-V 特性：

（其中 ε₀为真空介电常数，εᵣ为 NPB 介电常数，μ₀为零场迁移率，V 为经内置电压校正的施加电压，d 为有机堆栈厚度，β 为 Poole-Frenkel 参数）。

以 μ₀和 β 为自由参数，拟合函数与宏结和纳米结 3-8 V 范围内测量的 J-V 特性高度吻合（图 3E）（该电压范围避免深陷阱填充（低电压）及隧道注入和焦耳加热（高电压））。宏结零场空穴迁移率为 1×10⁻⁵ cm²・V⁻¹・s⁻¹，纳米结为 3×10⁻⁵ cm²・V⁻¹・s⁻¹，与 NPB 文献值吻合（57）；Poole-Frenkel 参数 β 分别为宏结 5×10⁻³、纳米结 2×10⁻³。较高空穴迁移率和较小 β 值表明纳米结超小有效体积内陷阱态绝对数量较低，对空穴载流子传输影响较小。

为说明纳米孔径概念对器件稳定性和效率的益处，对比研究基于金贴片天线（1 μm×1 μm）的纯空穴器件（含与不含纳米孔径）的电学特性（图 4）：

图 4. 基于金贴片天线（1 μm×1 μm）的纯孔器件电气特性

（A）含纳米孔径（蓝线及插图）与不含纳米孔径（红线及插图）的两个代表性结的电流密度 - 电压特性：结电压从 0 V 循环三次；不含纳米孔径的贴片天线因细丝形成和断裂，表现出不稳定行为。（B）含与不含纳米孔径的两个代表性结的恒压工作（5 V，直流）：不含纳米孔径的器件运行 3 分钟后击穿（可能因细丝形成），含纳米孔径的器件在 30 分钟测量期内保持稳定。

J-V 循环（图 4A）证明纳米孔径的有效性：含纳米孔径的金贴片天线显示可靠确定的设备操作，不含纳米孔径的贴片天线循环中表现不稳定，电流突然跃升至上限归因于金原子迁移导致低欧姆细丝形成（由电极边缘三倍、角落六倍的电场增强引起，图 S1），反向电压后金细丝通常中断，总电流再次由低欧姆路径主导；含纳米孔径电极的器件无细丝形成趋势，正向偏置 J-V 循环中仅表现微小滞后；因纳米孔径结的绝对电流小于无边缘绝缘的结，J-V 循环已按比例缩放以便比较。

恒压（5 V 直流）测试（图 4B）显示：未边缘绝缘的器件运行 3 分钟后电击穿，纳米孔径器件的相对电流密度在 30 分钟测量时间内完全稳定。

含纳米孔径的器件表现出出色可重复性（图 5）：蓝色区域标记 30 个单独结的电流 - 电压（I-V）特性绝对变化，红色曲线对应图 3 讨论的纳米结；20 V 正向和反向偏压下，电流变化保持在一个数量级以内，表明纳米孔径尺寸和深度变化小，处理后 Au 界面质量高；91%（33 个中的 30 个）制备纳米结对细丝形成稳定，证明纳米孔径器件有效边缘覆盖和表面质量的优势；封装器件在环境条件下至少 14 天功能完整，突出纳米电极结构和金属有机界面的稳定性；白光反射显微照片（图 5 插图）显示像素制造已并行化，可进一步集成到类似显示器的阵列中（每个块 11 个像素，垂直和水平像素间距分别为 2 和 10 μm，单个基板上制造三个块（33 个像素），仅三个像素表现出与标准 J-V 行为的偏差）。

图 5. 设备重现性

蓝色区域表示 30 个独立纳米结的电流 - 电压（I-V）特性绝对变化；20 V 时电流变化保持在一个数量级以内；红色曲线对应图 3 所示的纳米结；插图：电极布局的白光反射显微照片（每个块 11 个像素，垂直和水平像素间距 2 和 10 μm，显示显示应用的可扩展性）。

为向谐振等离子体纳米天线小型化发展，研究更小电极贴片和相应孔径：该概念对仅含孔的纳米结（贴片天线尺寸 300 nm×300 nm，纳米孔径直径 200 nm）同样有效（图 S4、S8）；J-V 特性（图 S8A）与 1 μm×1 μm 电极贴片相当；阻塞比降低与较小纳米孔径直径有关，但不影响器件在 10 V 直流电压下超过 5.5 小时的卓越稳定性（图 S8B），故该方法适合将亚波长尺寸的谐振等离子体贴片天线集成到垂直有机电子器件中。

3）纳米级 OLED 像素

将纳米孔径概念应用于发光器件，制作基于图 1 器件概念的纳米 OLED，首次展示采用垂直多层架构的可单独寻址亚波长纳米 OLED 像素（300 nm×300 nm），通过等离子体贴片天线的辐射等离子体模式实现高效光耦合输出。

图 6 概述 OLED 架构和基本器件特性：图 6A 为平带能量图和器件架构，底部阳极由 50 nm 厚 Au 纳米电极（300 nm×300 nm）和 200 nm 直径纳米孔径开口组成；5 nm HAT-CN 界面层促进空穴注入，随后 30 nm NPB 为空穴传输层；发射层（30 nm）为嵌入 1,3 - 双（N - 咔唑基）苯（mCP）中的热活化延迟荧光（TADF）发射体 2-[4-(二苯氨基) 苯基]-10,10 - 二氧化物 - 9H - 噻吨 - 9 - 酮（TXO-TPA）（7 vol%），构成高效常用主体 - 发射体组合；发射层与顶部电极间为 75 nm 厚红菲咯啉（Bphen）电子传输层；顶部阴极为 10 nm 厚钙和 120 nm 厚铝的平坦电子注入层；非对称器件架构使激子复合远离顶部阴极，避免阴极层猝灭；发射层内产生的激子耦合到等离子体金贴片天线电极的辐射等离子体模式，实现穿过玻璃基板的远场辐射。

图 6. 基于等离子体金贴片天线（300 nm×300 nm）的纳米 OLED 设备光电特性

（A）平带能量图和器件架构：堆叠包括 HAT-CN（5 nm；空穴注入层）、NPB（30 nm；空穴传输层）、掺杂 TXO-TPA 的 mCP（30 nm；发射层）、Bphen（75 nm；电子传输和空穴阻挡层）、Ca（10 nm；电子注入层）、Al（120 nm；覆盖电极）；光发射由金贴片天线底部电极的激子 - 等离子体耦合介导。（B）-15 至 + 15 V 间记录的电流密度和电致发光（EL）电压特性。（C）代表性像素的 EQE 与电流密度关系（EQE 值处于百分比范围）。（D）代表性像素的亮度特性（峰值亮度～3000 cd・m⁻²，与使用相同发射材料的宏观 OLED 相当；亮度根据 300 nm×300 nm 贴片天线面积计算）。

制备的纳米 OLED 在正向和反向偏压下稳定运行，J-V 不对称性明显（图 6B）；光发射始于 5 V，电致发光（EL）强度随施加电压增加而增加（图 6B）；与基于纳米孔径的纯空穴器件结果一致，无细丝形成、短路或器件故障迹象，突出纳米孔径概念的稳健性和固有稳定性；像素可在正向和反向偏压下可靠循环（图 S9A）；实现高达 1% 的 EQE（图 6C），像素间差异小（图 S9B），表明高内部复合效率（高性能材料堆栈与纳米孔径结合确保纳米尺度平衡的电荷载流子注入）；而无纳米孔径的纳米 OLED 因金属丝生长或不平衡注入，EQE 显著降低（10⁻⁴至 10⁻²％）。

纳米 OLED 器件实现约 3000 cd・m⁻² 的最大亮度（未达饱和），与使用相同发射材料的宏观器件性能相当；瞬态 EL 表征（图 S10）显示，以 9 V 方波脉冲（占空比 10%）1 kHz（远高于标准视频帧速率）驱动时，器件开关动态快速，上升时间 50 μs，下降时间 100 μs，证实纳米孔径概念在下一代纳米光电子器件中的可扩展性和应用潜力；高 EQE 和高亮度均受等离子体增强发射机制控制。

分析纳米 OLED 像素的发光特性（图 7）：为量化光耦合效率，基于图 S11 简化器件堆栈，使用有限差分时域（FDTD）方法（Ansys Lumerical）进行电磁模拟，采用垂直和水平方向电偶极子（代表发射层内统计分布的激子发射极方向），激发限制在 200 nm 直径纳米孔径内的等离子体贴片天线模式，对偶极子位置横向空间平均以解释金贴片天线全范围模式的贡献。垂直偶极子主要与 650 nm 处主导 n₂₂模式耦合（图 7A 插图场分布和黑色虚线），低阶模式（n₂₁、n₁₁和 n₁₀；图 S12）通过光谱拖尾产生非共振贡献（图 7A 灰色虚线）；水平和垂直方向偶极子综合贡献导致整体光输出效率约 5%（图 7A 实线），与实验测得的 EQE 一致。

图 7. 金贴片天线（300 nm×300 nm）等离子体模式介导的纳米 OLED 光发射

（A）模拟纳米 OLED 堆栈的光输出耦合效率（取 200 nm 纳米孔径内多个横向分布点偶极子位置的平均值，偶极子位于金贴片上方 50 nm 处）；实线为水平和垂直方向偶极子的组合贡献，虚线隔离垂直偶极子贡献（说明与等离子体天线模式的耦合）；插图：650 nm 处主要四极子 n₂₂模式的模拟电场分布（计算位置在金表面上方 15 nm 处）；n₂₂共振（黑色虚线）和低阶模式（n₂₁、n₁₁和 n₁₀；灰色虚线）的贡献为视觉引导。（B）15 V 下测得的归一化 EL 光谱（灰色；天线耦合发射）；宏观标准 OLED 光谱（分子发射）与模拟耦合输出效率光谱（来自（A））的卷积与纳米 OLED 光谱高度相似，证实主要与 n₂₂等离子体模式耦合；天线耦合发射和分子发射的归一化差异光谱突出光谱整形。（C）代表性纳米 OLED 像素的空间发射图（像素区域和电接触线以黄色覆盖）；发射位于纳米孔径定义的像素中心；沿垂直和水平轴线切割显示点状发射图案，半峰全宽（FWHM）低于 600 nm（受显微镜分辨率限制）。

图 7B 中，纳米 OLED 像素的 EL 光谱（15 V 下测得，灰色；天线耦合发射）与使用透明氧化铟锡阳极的标准宏观 OLED 像素（像素面积 3 mm²）的 EL 光谱对比：标准 OLED 光谱（分子发射）与模拟耦合输出效率光谱（图 7A 实线）的卷积与纳米 OLED 光谱高度接近；天线耦合发射和分子发射的差异光谱突出通过等离子体天线效应的光谱整形。对比纳米 OLED 与基于 2 μm×2 μm 金电极的微型 OLED 的 EL 光谱（图 S13）：微型 OLED 光谱因等离子体天线效应红色失谐，与宏观 OLED 光谱接近；纳米 OLED 通过 300 nm×300 nm 金贴片天线在 600 nm 以上显示明显光谱整形，证实 TXO-TPA 发射的光谱整形源于与等离子体模式的耦合（特别是 650 nm 处的主导 n₂₂模式）。

图 7C 展示纳米 OLED 像素的空间 EL 分布（实际像素区域和电触点以黄色突出），强度线切割确定发射点的半峰全宽（FWHM）低于 600 nm（受显微镜光学分辨率限制），凸显等离子体贴片天线电极概念在高集成 OLED 显示技术中的潜力。

纳米电极上不均匀的三维电场分布是导致垂直纳米光电结构中空间载流子注入不平衡、传输和复合效率低下及细丝形成器件故障的关键因素。为减轻这些有害缩放效应，研究引入通过策略性设计绝缘层选择性钝化金属纳米电极边缘和角落，同时在平坦电极表面留纳米级孔径的概念，该纳米孔径对确保可靠光电器件特性和长期稳定性至关重要。

通过将电荷注入限制在均匀电场分布的平面界面，可完全抑制具有裸金纳米电极（1 μm×1 μm）的纯空穴器件中因边缘诱导细丝形成导致的不稳定 J-V 特性。纳米制造工艺可重复性高，可操作像素成功率超 90%，实现具有可单独寻址纳米级电极的有机（光）电子器件。纯空穴配置中，带纳米孔径和 HAT-CN 表面功能化的金纳米电极开启电压低至 1.9 V，稳定性高达 20 V，性能优于 100 μm×100 μm 的宏观对应物。

将带纳米孔径的贴片天线集成到垂直纳米 OLED 架构中，实现 300 nm×300 nm 的独立可寻址像素（据知为迄今为止报道的 OLED 最小独立可寻址像素尺寸）。这些纳米 OLED 开启电压适中（~5 V），在宽偏置范围（-15 至 + 15 V）和时间内稳定运行，瞬态响应超标准视频帧速率。光发射由激子态与金纳米贴片天线等离子体模式的耦合控制（电磁模拟和实验观察到的 EL 光谱形状均支持），该等离子体介导的发射机制实现高达 1% 的 EQE、纳米级像素区域的发射空间定位及 3000 cd・m⁻² 的亮度水平。

基于此概念的显示应用需协调优化有机堆栈、贴片天线电极设计和精密纳米制造：

有机堆栈优化：当前原型堆栈中，EQE 在较高电压下接近饱和，源于空间电荷积累和不平衡载流子传输（空穴高效注入，电子需更高偏压且穿过 75 nm 低迁移率传输层，导致界面载流子积累，需更高工作电压补偿内部电场并平衡复合），这是原型堆栈设计所致，非纳米 OLED 概念根本限制；金贴片天线电极已实现低于 2 V 的高效空穴注入起始电压，结合优化的 pin OLED 架构、掺杂传输层和特定限制层（如商用显示器），预计可将工作电压降至约 5 V，并进一步增强 EQE 以满足现代显示器要求。

天线设计定制：实施定制天线设计可实现激子发射极和辐射等离子体模式（59）之间更高效耦合，增强垂直和水平偶极子发射，可能将外耦合效率提高一个数量级，并实现强大光谱整形。

超高密度像素集成：这些进步需与超高密度像素集成（如每英寸超 10,000 像素）兼容（先进光刻技术（60）使之成为可能），但高密集成面临相邻像素间电和光串扰（61）等挑战，需对天线结构、有机堆叠架构和纳米制造协议进行精心协同设计。

统一应对这些挑战的方法将在超高分辨率纳米显示器、片上光子集成和下一代纳米光电子器件领域带来突破。

1）仅空穴宏结的制造

基板清洗：玻璃基板（Karl Hecht；厚度 170 μm）依次在含 Mucasol 清洁剂（schuelke）的双蒸水（CarlRoth）、双蒸水、丙酮和异丙醇中超声清洗（每次 15 分钟），氮气流中干燥。

结面积定义：结有效面积由垂直底部和顶部接触条带的重叠部分定义；通过不锈钢荫罩（Beta LAYOUT GmbH）将每个接触条带宽度限定为 100 μm，形成 100×100 μm² 结面积。

金属与有机薄膜沉积：金属触点和有机薄膜在两个独立真空室中沉积（避免有机材料污染），沉积速率和厚度用石英晶体微天平监测；金（纯度 99.99%）从商用钼舟源（Kurt J. Lesker）蒸发，基底压力低于 3×10⁻⁶ mbar，沉积速率 1.5 nm・s⁻¹，金底部触点沉积厚度 50 nm；转移到有机室过程中，底部触点在黄光下暴露于环境条件 5-10 分钟。

有机材料蒸发：有机材料通过电阻加热从氮化硼坩埚中蒸发，基底压力 10⁻⁹ mbar；HAT-CN 和 NPB 购自 Ossila（双升华级和升华级，无需进一步纯化），通过覆盖底部触点的大面积荫罩沉积；5 nm HAT-CN 沉积速率 2 nm・min⁻¹，135 nm NPB 沉积速率 8 nm・min⁻¹；不含 HAT-CN 的参考器件沉积 140 nm NPB。

顶部触点与封装：样品转移过程中在环境光中暴露 10 分钟，然后在金属腔体中沉积 140 nm 厚金顶部触点；最后在手套箱 [Jacomex；0.0 ppm O₂和 0.0 ppm H₂O] 中，用玻璃载玻片和环氧树脂（LOCTITE EA9492 LI）封装器件，防止测量过程中氧气和水渗透。

2）仅空穴纳米结和纳米 OLED 的制造

电极布局制作：采用光学光刻技术（AR-U4030，Allresist GmbH）制作电极布局；显影后用水冲洗样品，进行等离子清洗 [200 W，60 s，10 标准立方厘米 / 分钟 (SCCM) 氧气]；通过电子束物理气相沉积，以 1 nm・s⁻¹ 速率沉积 10 nm 铬粘附层，再沉积 70 nm 金层；使用剥离工艺在丙酮中去除光掩模；将图案化基板依次在去离子水、丙酮和异丙醇中超声清洗 10 分钟，进行氧气等离子清洗 10 分钟（功率 250 W；氧气流量 20 SCCM）确保表面无残留。

高分辨率 EBL 准备：将由 100 nm PMMA 600K 和 20 nm PMMA 950K（Allresist GmbH）组成的双层光刻胶旋涂在清洁基板上，150°C 烘烤 3 分钟；旋涂导电光刻胶（Electra 92，Allresist GmbH）作为放电层；使用蔡司 SEM Gemini 450 电子束成像系统进行电子束图案化（加速电压 30 kV，束流 35 pA），天线图案典型曝光剂量约 800 μC・cm⁻²。

显影过程（室温）：①水中浸泡 20 秒去除导电抗蚀剂；②3:1 甲基异丁基酮：异丙醇混合物中浸泡 60 秒显影 PMMA 图案；③异丙醇冲洗 30 秒停止显影；④氮气流干燥。

金层沉积与剥离：在低于 3×10⁻⁶ mbar 基础压力下以 1.5 nm・s⁻¹ 沉积速率热蒸发 50 nm Au 层；通过在丙酮（分析级）中浸泡过夜完成剥离，然后进行 10 秒超声波搅拌。

平面化层与 HSQ 层构建：旋涂 100 nm HSQ（SX AR-N 8200，Allresist GmbH）与导电抗蚀剂作为平面化层；使用第二个 EBL 步骤构建 HSQ 层，对天线贴片施加 0-100% 的 2250 μC・cm⁻² 梯度剂量，对剩余绝缘层施加 2250 μC・cm⁻² 恒定剂量；室温下使用 1% TMAH 水溶液显影；通过 AFM 扫描验证天线结构显影质量。

绝缘与清洗：旋涂约 800 nm 厚 PMMA 层，防止底部金连接器与顶部金属电极间直接或寄生电接触；进行第三步 EBL，打开与天线区域对齐的窗口定义像素；使用高度稀释的卢戈氏溶液（1:2000）进行氧化清洗 8-10 秒，最后用水冲洗。

有机层与顶部接触沉积：将孔径 140 μm×100 μm 的不锈钢荫罩 (Beta LAYOUT GmbH) 对准纳米电极阵列；有机层沉积完成后，将孔径稍大 (200 μm×120 μm) 的荫罩对准用于顶部接触，用拉力绳固定荫罩（对准过程需约 45 分钟环境光照射）；有机层沉积按宏结沉积步骤进行：mCP 购自 Ossila（未升华级，通过梯度升华纯化），TXO-TPA 购自 Lumtec（升华级，无需进一步纯化），Bphen（分光光度级，>99.0%）购自 Sigma-Aldrich（直接使用）；以 2 nm・min⁻¹ 沉积 5 nm HAT-CN，4 nm・min⁻¹ 沉积 30 nm NPB；发射层（30 nm）由分别装有 mCP 和 TXO-TPA 的坩埚共蒸发（调整沉积速率比实现 7 vol% TXO-TPA 掺杂，总沉积速率 7 nm・min⁻¹）；以 6 nm・min⁻¹ 沉积 75 nm Bphen。

顶部接触与封装：有机层沉积后按上述方法对准第二个荫罩；顶部接触在手套箱集成系统（Leybold）中进行，以 0.2-0.3 Å・s⁻¹ 沉积 10 nm Ca 层，2-3 Å・s⁻¹ 沉积 120 nm Al 层（同时以 16 rpm 旋转样品）；然后在手套箱内按之前描述的相同步骤封装器件，无需进一步暴露于环境条件下（图 S14 为简化流程示意图）。

3）原子力显微镜使用

 Veeco Dimension Icon，以标准轻敲模式 AFM 探针（NanoWorld，NCHR；320 kHz，42 N・m⁻¹）记录轻敲模式 AFM 形貌图像；使用同一仪器配合 TUNA 应用模块和导电 AFM 探针（NanoWorld，SCM-PIC；13 kHz，0.2 N・m⁻¹），以接触模式记录导电 AFM 图像（研究电极接地，施加 100 mV 偏压）；数据分析在 Gwyddion（62）中进行。

4）（光）电子器件特性

仅空穴宏结：使用 B1500A 半导体参数分析仪（Keysight Technologies）记录电流密度 - 电压特性；通过安装在三轴探针臂（FormFactor Inc.）和微操作器（DPP210，FormFactor Inc.）上的钨探针针（FormFactor Inc.）建立接触。

纳米结：使用源表单元 Keithley 2636B（Keithley Instruments Inc.）施加电压；通过安装在三轴探针臂（Cascade Microtech）和微操作器（DPP 220，Cascade Microtech）上的铜铍探针针（Semprex Corp.）建立接触；以 100 mV 电压步长和 20 ms 积分时间测量仅空穴纳米结的电流密度 - 电压特性，源限制设置为 100 nA。

纳米 OLED 器件：通过油浸显微镜物镜 [Plan-Apochromat，100×，数值孔径 (NA)=1.45；尼康] 记录 EL，通过配备电子倍增电荷耦合器件 (iXon A-DU897-DC-BVF，Andor，EM 增益 100) 的光谱仪 (Shamrock 303i，80 线・mm⁻¹，闪耀于 600 nm 或镜子) 分析；源表单元和电子倍增电荷耦合器件相机通过 LabVIEW 程序同步进行相关数据分析；采用连续恒定电压步骤测量电压相关光谱，记录光谱的典型积分时间为 0.1 s 至 1 s；考虑光学装置检测效率（图 S15），根据 EL 光谱计算 EQE；亮度根据国际照明委员会 (CIE) 计算：先根据检测到的光子强度（面积归一化的 EL 光谱加权）计算辐射功率（瓦 / 纳米），再将辐射功率与 555 nm 处发光效率（CIE 标准，683 lm・W⁻¹）加权并与明视发光效率函数积分得到光通量（流明），最后假设半球形朗伯辐射，推导出亮度（坎德拉 / 平方米）并归一化为 300 nm×300 nm 的贴片天线面积。

5）瞬态 EL 特性

纳米 OLED 像素：由函数发生器（DS345，斯坦福研究系统公司）产生的方波电压信号电驱动（频率 1 kHz，峰峰值幅度 - 1 至 9 V，占空比 10%（9 V “开启” 状态持续时间，每个周期 100 μs））；函数发生器的同步输出作为时间数字转换器（quTAU；时间分辨率 80 ps）的参考起始信号；使用油浸物镜（Plan-Apochromat，100×，NA=1.45；尼康）收集 EL，聚焦到单光子雪崩光电二极管（APD；SPCM-AQR-13，Excelitas）上；来自 APD 的晶体管 - 晶体管逻辑脉冲用作时间相关单光子计数测量的停止信号；quTAU 记录开始和停止信号间的时间延迟，生成箱宽 80 ns 的直方图。

宏观参考 OLED：使用自制装置表征，通过微操作器（DPP210，FormFactor Inc.）、屏蔽三轴探测臂（100525，FormFactor Inc.）和钨针（PTT-120，FormFactor Inc.）接触 OLED 像素；使用光电倍增管 (PMT) 结合收集透镜检测 EL；使用电流放大器（DHPCA-100，高速模式，放大倍数 10³）放大 PMT 输出信号，通过示波器（TDS 3032，Tektronix）在 50 欧姆输入阻抗下监测；使用脉冲发生器（Hewlett Packard）对 OLED 像素偏置，通过设置为 1 兆欧姆输入阻抗的第二个示波器输入建立电压波形和 EL 信号间的同步。

6）数值模拟

使用 Ansys Lumerical 中麦克斯韦方程求解器进行三维 FDTD 模拟；在等离子体纳米贴片区域应用高分辨率网格（所有维度均为 1 纳米）确保精确场分辨率；所有模拟边界采用完美匹配层 (PML) 消除人为背向反射；为近似无限几何结构，顶部阴极、有机叠层和玻璃基板均延伸至 PML 区域；使用 PML 边界条件将金电连接器建模为半无限结构；所有模拟中使用电偶极子点源作为激发源；为增强模式可视化，使用不带电连接器的金纳米贴片模拟模场分布；光输出耦合模拟使用连接的金纳米贴片结构进行（图 S11）。来源：译自科学进展