倒置单层 OLED 的 SPP 模式抑制

Tan 等（2024）：490 nm 下常规与倒置单层 OLED 的功率耗散谱及模式分配

作者Codex

Inverted device architecture for high efficiency single-layer organic light-emitting diodes with imbalanced charge transport

作者： Xiao Tan、Dehai Dou、Lay-Lay Chua、Rui-Qi Png、Daniel G. Congrave、Hugo Bronstein、Martin Baumgarten、Yungui Li、Paul W. M. Blom、Gert-Jan A. H. Wetzelaer

期刊： Nature Communications 15, 4107（2024） · 对照目标： Figure 4b · 许可： CC BY 4.0

同一层 80 nm 的蓝光发光体靠近金属阴极时，大量功率会进入表面等离激元极化激元（surface plasmon polariton，SPP）而不能出光；把阴极移到透明电极一侧后，复合区随之远离顶部金属。本文使用论文公开的发光体光学常数、偶极取向和空间复合分布，检验 Dreapex TMM 能否复现 Figure 4b 中高波矢 SPP 峰显著降低的机制，并用 Mode 给出相应的通道积分。

Tan Figure 4——80 nm 2tCz2CzBN 单层 OLED 的厚度—出光效率与 490 nm 功率耗散谱。Tan 等，Nature Communications 15, 4107（2024），Figure 4，CC BY 4.0 CC BY 4.0

Figure 4b 的浅蓝曲线在 SPP 区出现约 10.35 的尖峰，倒置结构的深蓝曲线峰值降至约 2.77；Figure 4a 同时给出 80 nm 时 10.15% 与 20.47% 的出光效率锚点。

前置阅读：Emission 建模与发光探测器。本案例只需要单波长输入，不需要把器件 EL 光谱当作本征发光谱。

背景

平面 OLED 中，发光偶极可以把功率耦合到空气、玻璃衬底、有机波导和金属界面的 SPP。Figure 4b 用面内波矢区分这些通道。为与 Dreapex TMM 的无量纲横轴直接对应，本案例把论文 Source Data 的面内波矢换算为有效折射率：

n_{\mathrm{eff}}=\frac{k_{\parallel}}{k_0},\qquad k_0=\frac{2\pi}{\lambda}.

其中， $n_{\mathrm{eff}}$ 是有效折射率， $k_{\parallel}$ 是平行于膜面的波矢， $k_0$ 是波长 $\lambda$ 在真空中的波数， $\pi$ 是圆周率。本案例固定 $\lambda=490\ \mathrm{nm}$ 。论文给出的三条边界换算后分别为 1.00、1.50 和 1.67，对应空气、玻璃衬底和 2tCz2CzBN 发光层的光线。

功率耗散谱（Power Dissipation）保留峰位和模式密度信息；Mode 则把整条谱积分为出光、衬底、波导、吸收与倏逝等通道。两者共同用于判断倒置结构是否真正把功率从高波矢损耗区移走。

论文参数与 TMM 模型映射

下表用 $n$ 表示折射率实部，用 $k$ 表示消光系数。

常规器件（玻璃出光侧 → 顶部金属）

膜层	厚度	光学输入
Glass，非相干	`1 mm`	$n=1.50$ ，由 Figure 4b 衬底边界约束
ITO	`100 nm`	开放薄膜光学数据；厚度为固定假设
PEDOT:PSS	`40 nm`	开放实测光学数据
MoO₃	`7 nm`	开放实测薄膜光学数据
C₆₀ 光学代理	`4 nm`	$n=2.00$ 、 $k=0.15$
2tCz2CzBN EML	`80 nm`	Figure S4c 的连续实测 $n,k$
TPBi	`4 nm`	Aulika 等开放数据的 quartz 薄膜
Ba 有效层	`5 nm`	使用相邻 Al 的开放光学数据
Al 阴极	`100 nm`	开放实测 Al 光学数据

倒置器件（玻璃出光侧 → 顶部金属）

膜层	厚度	光学输入
Glass，非相干	`1 mm`	$n=1.50$
ITO	`100 nm`	与常规器件相同
n-TFB 光学代理	`14 nm`	中性 TFB 在 `490 nm` 的 $n=1.80035$ 、 $k=0.002584$
TPBi	`4 nm`	与常规器件相同
2tCz2CzBN EML	`80 nm`	Figure S4c 的连续实测 $n,k$
C₆₀ 光学代理	`4 nm`	$n=2.00$ 、 $k=0.15$
MoO₃	`10 nm`	与常规器件相同的数据源
Al 阳极	`100 nm`	与常规器件相同的数据源

层序和厚度采用 SI Table 1。论文 Methods 把 PEDOT:PSS 写为 45 nm，SI Table 1 与用于作图的补充图注写为 40 nm；主模型采用后者。论文没有报告 ITO 厚度，也没有公开辅助层的同批光学常数，因此两种器件共用同一组在运行前固定的开放数据与代理，使比较只保留层序和复合区方向的差异。n-TFB 代理值来自 Miao 等 2020 年开放论文的 TFB 曲线。

发光体输入全部来自 Springer Nature Figshare Source Data：

发光体设置	值
波长	`490 nm`，单波长
垂直偶极占比	`0.254`；`Custom` 取向
空间分布	Figure 3b 的 `3.0 V`、`80 nm` 完整数组，共 `51` 点
光谱口径	Unit White、Probability；单波长下不进行额外光谱加权
量子效率与转换效率	均设为 `1`，用于比较归一化光学通道

Figure 3b 的数据表仅把位置轴标为 Thickness。结合正文“复合区靠近阴极”的描述和约 12 nm 的分布峰位，本案例把 $x$ 解释为距阴极的距离。常规器件的阴极在顶部金属侧，导入时使用 $80\ \mathrm{nm}-x$ ；倒置器件的阴极在玻璃侧，直接使用 $x$ 。这一步把同一电输运复合分布镜像到两个真实电极方向，是本案例的主要结构变量。

复现目标与验收准则

论文 Source Data 在 0≤n_eff≤4 范围给出的固定锚点为：常规 SPP 峰位 1.9768、倒置 SPP 峰位 2.0684，倒置/常规峰高比 0.2679，SPP 区积分比 0.4115。

主复现同时满足以下条件时通过：

常规器件的 SPP 区主峰位于 1.70–2.25。
倒置器件的 SPP 区主峰位于 1.70–2.40。
倒置/常规 SPP 峰高比不超过 0.65。
在 1.67≤n_eff≤4 内，倒置/常规功率耗散积分比不超过 0.75。
倒置器件的 Top Outcoupling 至少为常规器件的 1.5 倍。

Figure 4a 的 10.15471% 与 20.46790% 是厚度依赖、光谱积分的论文结果。本文的 490 nm 单波长 Mode 只把两者的约两倍关系作为辅助检查，不要求绝对值逐点相同。

Dreapex TMM 建模路径

结构

分别建立上表两套从玻璃到顶部金属的膜系。Glass 是唯一的非相干层并位于有限层序首位；2tCz2CzBN 是唯一启用 Emission 的相干层。常规与倒置模型分别把 3.0 V File 分布映射到相反的 EML 深度方向。

光学设置

启用 Power Dissipation 与 Mode。两者均采用 490 nm 的 Single 模式；Power Dissipation 横轴选择 nEff，范围 0–4，步长 0.01。对照曲线读取 Total 偏振、Total 方向的 $K_{\mathrm{total}}$ ； $K_{\mathrm{total}}$ 是功率耦合系数 $K$ 在全部偏振和上下两个传播方向上的合计。

本案例不使用 Optimize。页面下方若出现仅与 Optimize 有关的提示，可继续执行 Run；该提示不会阻塞本案例。

示例配置

配置项	常规器件	倒置器件
EML	2tCz2CzBN，`80 nm`	相同
透明阴极位置	—	Glass / ITO / n-TFB / TPBi 一侧
金属阴极位置	EML / TPBi / Ba / Al 一侧	—
发光区 File 坐标	$80\ \mathrm{nm}-x$	$x$
垂直偶极占比	`0.254`	`0.254`
Power Dissipation	`490 nm`；`nEff 0–4`；步长 `0.01`	相同
Mode	`490 nm`，Single	相同

常规单层 OLED 的完整结构

常规结构保留 5 nm Ba 层的几何厚度，其光学输入明确标为 Al 有效代理。

常规器件中镜像到金属阴极一侧的发光区

倒置单层 OLED 的完整结构

倒置器件中位于透明阴极一侧的发光区

两张发光体截图使用相同的 51 点密度数组；横坐标方向不同，峰值因此分别靠近顶部金属阴极和底部透明阴极。

490 nm 与 nEff 网格的 Power Dissipation 设置

490 nm 单波长 Mode 设置

仿真结果与 Figure 4 对照

Figure 4b 用曲线峰形检验高波矢 SPP 抑制，Figure 4a 的 80 nm 点提供出光比例的辅助数量级。

Figure 4b：功率耗散谱

公开 Figure 4b Source Data 与 Dreapex TMM 真实运行结果使用同一 nEff 横轴；虚线依次标出空气、衬底与发光层边界。Tan 等 2024 Figure 4 Source Data（CC BY 4.0）与本案例仿真结果CC BY 4.0

常规器件 490 nm 功率耗散谱的真实运行结果

倒置器件 490 nm 功率耗散谱的真实运行结果

数量	论文常规	论文倒置	仿真常规	仿真倒置
SPP 峰位 $n_{\mathrm{eff}}$	`1.9768`	`2.0684`	`1.78`	`1.85`
SPP 峰高	`10.3451`	`2.77122`	`23.6221`	`9.50531`
`1.67–4` 积分	`2.09225`	`0.86106`	`2.24522`	`1.55935`

仿真的倒置/常规峰高比为 0.4024，SPP 区积分比为 0.6945。两者分别低于预先设定的上限 0.65 和 0.75，五项主机制验收全部通过。峰值搜索从 1.70 开始，排除恰好位于 EML 光线附近的窄边界峰；保守积分仍从 1.67 开始并包含该峰。

Figure 4a：模式积分辅助检查

常规器件 490 nm Mode 的真实运行结果

倒置器件 490 nm Mode 的真实运行结果

数量	常规器件	倒置器件	倒置/常规
论文 `80 nm` 光谱积分出光效率	`10.15471%`	`20.46790%`	`2.016`
仿真 `490 nm` Top Outcoupling	`10.84%`	`25.27%`	`2.331`

单波长 Mode 与 Figure 4a 的光谱积分口径不同，因此表中第一行不作为绝对误差验收。仿真常规值与论文 80 nm 锚点相差 +0.69 pp，倒置值相差 +4.81 pp；更稳健的相对结论是两者都显示约两倍提升，支持“PDS 高波矢积分降低会把更多功率转移到可出光通道”这一解释。

偏差分析

论文公开了 2tCz2CzBN 的连续 $n,k$ ，但没有公开辅助层的同批数据。ITO、PEDOT:PSS、MoO₃、TPBi 和 Al 使用开放测量；n-TFB、C₆₀ 与 Ba 使用上文明确列出的代理。峰位和绝对通道比例的剩余偏差主要按输入差异解释。
ITO 厚度未报告，主模型固定为 100 nm。ITO 相位和吸收会改变空气与衬底通道，但两种结构使用同一输入，不会人为制造倒置优势。
Figure 4b 未注明采用哪一个电压下的复合分布，Figure 3b 数据表也未标明位置坐标的原点与方向。本案例在运行前冻结 3.0 V 曲线，并依据正文和峰位把坐标解释为距阴极的距离；论文公开的 2.5–5.0 V 数组可用于后续敏感性包络。
复合区数组来自论文的漂移—扩散计算，Dreapex TMM 在此把它作为 File 发光分布使用，并未重新求解电输运。
平面模型不包含粗糙度、横向散射、边缘出光和电极形貌。它们会重新分配高波矢功率，但不改变“复合区远离金属可降低 SPP 耦合”的因果方向。

后续扩展

依次导入 2.5–5.0 V 的全部复合区数组，给出 SPP 峰高和 Top Outcoupling 的电压包络。
扫描 ITO 厚度与公开 ITO 数据集，量化未报告透明电极输入对峰位的影响。
用实测 n-TFB、C₆₀ 和超薄 Ba 数据替换代理，再收紧峰位与积分误差阈值。
加入本征 PL 光谱和 EML 厚度扫描，扩展到 Figure 4a 的完整光谱积分对标。

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