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Luke Cole

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

一层 80 nm 的蓝光发光材料，做成常规器件时出光效率只有 10%：复合区紧贴金属阴极，大部分功率被表面等离激元极化激元（surface plasmon polariton，SPP）吃掉。把阴极换成玻璃一侧的透明电极，复合区随之远离金属，出光效率翻到 20%。

本案例用论文公开的发光体光学常数、偶极取向和复合分布，建常规与倒置两个模型，跑 Power Dissipation 得到论文 Figure 4b 的功率耗散谱，再用 Mode 给出通道积分。

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：发光结构与发光探测器。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 把这条谱沿面内波矢积分为出光、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。

结构

两套膜系都从玻璃出光侧排到顶部金属。下表用 $n$ 表示折射率实部，用 $k$ 表示消光系数。

常规器件

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 $n$ ；发光层消光系数按 `0` 输入，该值不进入发光求解
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

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 $n$ ；该数据在 `490 nm` 处 $k=0$ ，发光层消光系数按 `0` 输入
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。

常规器件建好后的结构页。5 nm Ba 层保留几何厚度，其光学输入明确标为 Al 有效代理：

常规单层 OLED 的完整结构

倒置器件把阴极换到玻璃一侧，n-TFB 取代 PEDOT:PSS / MoO₃，顶部金属变成阳极：

倒置单层 OLED 的完整结构

光学与发光设置

发光体输入全部来自论文的 Source Data，两个模型共用同一组数值。

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	论文 `3.0 V`、`80 nm` 的完整复合区数组，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

论文的复合区数据表只把位置轴标为 Thickness。结合正文「复合区靠近阴极」的描述和约 12 nm 的分布峰位，本案例把坐标

x

解释为距阴极的距离。常规器件的阴极在顶部金属侧，导入时用

80\ \mathrm{nm}-x

；倒置器件的阴极在玻璃侧，直接用

x

。这一步把同一条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。

常规器件的发光区峰值靠近顶部金属阴极：

常规器件中镜像到金属阴极一侧的发光区

倒置器件用同一组 51 点密度数组，只是横坐标方向相反，峰值因此靠近底部透明阴极：

倒置器件中位于透明阴极一侧的发光区

两个探测器都启用，都用 490 nm 的 Single 模式。Power Dissipation 的横轴选 nEff，范围 0–4、步长 0.01，对照曲线读 Total 偏振、Total 方向的 $K_{\mathrm{total}}$ ：

490 nm 与 nEff 网格的 Power Dissipation 设置

Mode 把同一次计算按面内波矢分段积分，给出各通道占比：

490 nm 单波长 Mode 设置

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。

仿真结果与 Figure 4 对照

子图 a 的厚度依赖不在复现范围内：它需要 40、60、100、120 nm 四个厚度各自的复合区剖面，论文只公开了 80 nm 器件的剖面。

功率耗散谱

论文的子图 b：

论文公开了这张图的数值源数据，把它与本次运行结果画在同一 nEff 横轴上：

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

软件里的原始结果。常规器件在 SPP 区有一个很高的尖峰：

常规器件 490 nm 功率耗散谱的真实运行结果

倒置器件的同一区域峰高只剩四成：

倒置器件 490 nm 功率耗散谱的真实运行结果

对照量	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`

本次的倒置/常规峰高比为 0.4024、SPP 区积分比为 0.6945，论文对应的比值为 0.268 与 0.412：两套结果都显示倒置结构把高波矢损耗压到常规器件的一半以下，倒置后峰位同样向高 $n_{\mathrm{eff}}$ 移动。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；积分仍从 1.67 开始并包含该峰。

通道积分

论文的子图 a，出光效率随发光层厚度变化：

Tan Figure 4a——常规与倒置器件的出光效率随发光层厚度变化。Tan 等，Nature Communications 15, 4107（2024），Figure 4，CC BY 4.0CC BY 4.0

论文在 80 nm 这一点给出常规 10.15%、倒置 20.47%。同一组模型换成 Mode 探测器，读 Top Outcoupling 通道：

出光效率（同一个 `80 nm` 发光层器件）	常规器件	倒置器件	倒置 / 常规
论文 Figure 4a，按器件整条发射谱积分	`10.15%`	`20.47%`	`2.02`
本次 `Mode`，`490 nm` 单波长	`10.84%`	`25.27%`	`2.33`
本次 `Mode`，`450–560 nm` 平谱平均	`10.22%`	`23.96%`	`2.34`

论文按整条发射谱积分，Figure 4b 则明确画在 490 nm，所以主对照取 490 nm。谱权重带来多大差别可以直接量出来：把 Mode 的波长模式改成 420–650 nm 扫描后，两个器件的 Top Outcoupling 都在 490–500 nm 附近取极大，向两侧缓慢下降；论文实测发光峰 λ_EL 也正是 490 nm。在整段发射带上取平谱平均，常规从 10.84% 移到 10.22%、倒置从 25.27% 移到 23.96%，倍率仍是 2.33。把平均区间换成 460–540 nm 或 470–520 nm，倍率在 2.33 与 2.34 之间。

也就是说，单波长与谱积分的口径差别最多值 1.3 个百分点，解释不了倒置器件与论文之间 4.8 个百分点的差距；那部分来自输入差异，见下节。

倍率从哪来，看原始 Mode 结果就清楚。常规器件有 68.62% 的功率落在 Evanescent 通道，也就是上一节功率耗散谱里那个 SPP 尖峰：

常规器件 490 nm Mode 的真实运行结果

倒置器件的 Evanescent 降到 42.92%，让出来的功率大部分进了 Top Outcoupling 与 Substrate：

倒置器件 490 nm Mode 的真实运行结果

偏差说明

论文只公开了发光层 2tCz2CzBN 的连续 $n,k$ ，没有公开辅助层的同批数据。ITO、PEDOT:PSS、MoO₃、TPBi 与 Al 使用开放测量数据，n-TFB、C₆₀ 与 Ba 使用上文列出的代理，ITO 厚度也未报告、固定为 100 nm。SPP 峰位与绝对峰高的偏差主要来自这一组输入差异；两种结构共用同一套输入，不会人为制造倒置优势。

论文没有注明 Figure 4b 采用哪个电压下的复合分布，位置坐标的原点与方向也未标明。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。

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。

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