近红外光疗 OLED 的微腔谐振波长设计
Cell proliferation effect of deep-penetrating microcavity tandem NIR OLEDs with therapeutic trend analysis
作者： Yongjin Park、Hye-Ryung Choi、Yongmin Jeon、Hyuncheol Kim、Jung Won Shin、Chang-Hun Huh、Kyoung-Chan Park、Kyung-Cheol Choi
期刊： Scientific Reports 12, 10935（2022） · 对照目标： Figure 1c 与 Figure 3
皮肤对 700 nm 以上的光散射更弱，同样功率下照射得更深，所以用于光疗的 OLED 要把发光峰推到近红外。谐振波长由几十纳米量级的传输层厚度决定：空穴传输层厚十来纳米，谐振就从 730 nm 挪到 770 nm。
本案例建三个器件——非腔单元件、非腔串联、微腔器件 A——先对照非腔器件的发光谱基线，再用一次二维扫描复现论文 Figure 3 的腔模厚度图，最后核对微腔器件 A 的峰位。
四张子图各有两条平行亮脊，分别对应一阶与二阶腔模。目标波长从 710 nm 增加到 770 nm 时，两条脊线整体向更厚的传输层移动。
背景
微腔 OLED 的正面出射谱是发光体本征发光谱与腔增益的乘积，腔增益由两个金属镜之间的 Fabry–Perot 共振和发光点到阴极的双光束干涉共同决定。
论文用到三类器件。以 ITO 为阳极的非腔器件没有前反射镜，正面谱形主要由发光点到 Al 阴极的距离决定，用来校验发光谱输入。把 ITO 换成 30 nm Ag 之后前后两面都成为反射镜，谐振条件由空穴传输层与电子传输层的厚度决定，正面谱被压缩到腔模附近。器件 A 是单发光单元的微腔器件，实测峰位 727 nm。
结构
三个器件的层序如下，从玻璃基底侧起。730 nm 光学输入是本次实际使用的插值结果。
| 层 | 非腔单元件 | 非腔串联 | 微腔器件 A | 730 nm 光学输入 |
|---|---|---|---|---|
| 玻璃基底 | 1 mm | 1 mm | 1 mm | ，，按非相干处理 |
| ITO 阳极 | 150 nm | 150 nm | — | 内置数据库的同名条目 |
| Ag 半透明阳极 | — | — | 30 nm | ， |
| MoO₃ 空穴注入层 | 10 nm | 10 nm | 10 nm | ， |
| NPB 空穴传输层 | 40 nm | 40 nm | 90 nm | ， |
| Bebq₂:Ir(piq)₃ 发光层 | 30 nm | 30 nm | 30 nm | Alq₃ 代理，， |
| Alq₃ 或 Alq₃:LiH 电子传输层 | 20 nm | 20 nm | 40 nm | ， |
| MoO₃ 电荷产生层 | — | 10 nm | — | ， |
| NPB 第二单元空穴传输层 | — | 40 nm | — | ， |
| Bebq₂:Ir(piq)₃ 第二发光层 | — | 30 nm | — | Alq₃ 代理，， |
| Alq₃:LiH 第二单元电子传输层 | — | 20 nm | — | ， |
| Liq 电子注入层 | 1 nm | 1 nm | 1 nm | ， |
| Al 阴极 | 100 nm | 100 nm | 100 nm | ， |
层厚全部取自论文 Methods，四项由本案例补上：玻璃基底取 1 mm 并按非相干层处理；ITO 取 150 nm；Bebq₂ 无公开光学数据，用同为金属喹啉类螯合物、在红光与近红外区 的 Alq₃ 代理；掺杂 2 wt% LiH 的 Alq₃ 按光学上等同于 Alq₃ 处理。
非腔单元件，第一层 1 mm 玻璃带非相干标记：
非腔串联器件多出的四层位于第一单元的电子传输层与 Liq 之间，两个发光层各带一个发光体：
微腔器件 A 把 ITO 换成 30 nm Ag，并把 NPB 加厚到 90 nm、Alq₃ 加厚到 40 nm：
光学与发光设置
三个模型共用同一套发光与探测器设置，只有结构不同。
| 设置 | 值 |
|---|---|
| 发光点位置 | 发光层中心，Delta 分布 |
| 发光谱 | 论文 Figure S1 的 Ir(piq)₃ 薄膜光致发光谱数字化结果，峰 631.5 nm |
| Spectrum Unit | Power |
| 偶极取向 | Isotropic（论文未给；0° 出射只由水平偶极贡献，取值不影响归一化谱） |
| 量子效率、转换效率与倍率 | 均取 1 |
| 串联器件两个发光单元的相对强度 | 等权（论文未给） |
| 探测器 | Emission Intensity + Propagation R |
| 波长采样 | Sweep，400–800 nm，步长 2 nm |
| 出射角 | Single，0° |
对照量取 Normalized Spectrum 视图的归一化谱，以及由该光谱派生的 Peak Wavelength 与 Envelope FWHM。
Figure 3 的厚度图在器件 A 的层序上用 Sweep 生成：NPB 厚度 20–310 nm、步长 5 nm，Alq₃ 厚度取需要对照的各个值，两次作业合计 472 个厚度组合。
Run 得到单个器件的光谱，用 Sweep 得到二维厚度图，不使用 Optimize。仿真结果与 Figure 1c、Figure 3 对照
非腔器件的发光谱基线
论文 Figure 1c 给出非腔单元件与非腔串联器件的实验谱以及它自己的仿真谱：
三条曲线叠在同一坐标里：
软件里的原始结果。非腔单元件：
非腔串联器件，670–720 nm 的长波肩明显抬高：
| 对照量 | 论文实验 | 论文仿真 | Dreapex TMM | 相对论文实验 |
|---|---|---|---|---|
| 单元件峰位 | 630.1 nm | 623.4 nm | 630.7 nm | +0.5 nm |
| 单元件包络半高全宽 | 88.0 nm | 73.0 nm | 81.4 nm | −6.6 nm |
| 串联峰位 | 626.4 nm | 624.7 nm | 632.4 nm | +6.0 nm |
| 串联包络半高全宽 | 102.6 nm | 97.0 nm | 98.9 nm | −3.7 nm |
580–778 nm 区间内逐点计算的归一化谱形均方根偏差：单元件相对论文实验 7.8 %、相对论文仿真 3.6 %；串联器件相对论文实验 4.1 %、相对论文仿真 5.3 %。作为参照，论文自身仿真与其实验的距离是单元件 9.6 %、串联 3.1 %。
腔模厚度图
90 nm、Alq₃ 为 40 nm、实测峰位 727 nm，而在目标波长 730 nm 的子图中，Alq₃ = 40 nm 一行的一阶脊线正位于横轴 89.4 nm。按 MoO₃ 与 NPB 之和读取会引入 10 nm 的系统偏移。论文的原图：
取电子传输层 80 nm 一行，把二维图切成剖面与扫描结果叠放：
| 腔序 | 比较点数 | 平均偏差 | 均方根偏差 | 最大偏差 |
|---|---|---|---|---|
| 一阶 | 16 | +0.16 nm | 1.56 nm | 3.20 nm |
| 二阶 | 20 | +0.47 nm | 1.62 nm | 3.70 nm |
| 合计 | 36 | +0.33 nm | 1.59 nm | 3.70 nm |
36 个极值点的最大偏差 3.70 nm，小于论文数据游标本身 10 nm 的网格。电子传输层为 80 nm 时，一阶与二阶脊线的间距为 202.1、209.5、215.2、222.5 nm，对应 710、730、750、770 nm；半波光程条件给出的解析值为 203.6、209.3、215.0、220.8 nm，最大差 1.7 nm。
微腔器件 A 的峰位
按 90 nm NPB 与 40 nm Alq₃ 建好器件 A 后跑一次 Run：
| 对照量 | 论文 | Dreapex TMM | 偏差 |
|---|---|---|---|
| 电致发光峰位 | 727 nm | 726.84 nm | 0.16 nm |
| 包络半高全宽 | 52 nm | 69.1 nm | +17.1 nm |
峰位与论文相差 0.16 nm。半高全宽只作记录：论文的 52 nm 是在 30 mA/cm² 下实测得到的。
偏差说明
发光层用 Alq₃ 代理 Bebq₂，后者没有公开光学数据。峰位对该折射率的灵敏度约为每单位折射率 +87 nm；发光层只有 30 nm，代理对腔模脊线位置的影响约 0.9 nm，小于实测的 1.59 nm 均方根偏差。
非腔串联器件的峰位偏高 6.0 nm。论文实验显示串联相对单元件蓝移 3.8 nm，而论文自身的光学模型给出红移 1.4 nm，本次给出红移 1.7 nm——两套独立的传输矩阵计算一致到 0.3 nm，同时与该实验数字反号。论文未给出两个发光单元的相对强度与实际复合区位置，两者都会改变合成谱的峰位。
ITO 厚度是本案例补上的假设；在 80–220 nm 全区间内单元件峰位只摆动 3.9 nm，且微腔器件与 Figure 3 的对照不含 ITO。