串联 QLED 腔长优化

Yuan 等（2024）：单发光层与串联顶发射 QLED 的光谱加权腔体图

作者Yuhan LI

Very Stable and Efficient Tandem Quantum-Dot Light-Emitting Diodes Enabled by IZO-Based Interconnecting Layers

作者： Cuixia Yuan、Zinan Chen、Fengshou Tian、Shuming Chen

期刊： Nano Letters 24(24), 7541–7547（2024） · 对照目标： Figure 2c-d

本案例复现 Yuan 等 Figure 2c-d 的两张腔体厚度图。对单发光层 QLED 和双发射体串联 QLED，使用光谱加权 Mode 扫描 ZnMgO 与顶部 IZO 厚度。计算峰值分别为 35.80% 与 31.87%，与论文数值锚点相差 0.76 个百分点和低于 0.01 个百分点。

Yuan Figure 2a-d——单发光层与串联 QLED 膜系及其腔体厚度图。Yuan 等，Nano Letters 24, 7541–7547（2024），Figure 2a-d

Figure 2a-b 给出两套腔体，Figure 2c 的单层峰值为 36.56%，Figure 2d 的串联峰值为 31.87%，高值区同时移动到顶部单元对应的腔长范围。

前置阅读：Emission 建模和参数扫描。完整网格分别包含 4,104 与 2,916 个组合，请直接使用导出模型；每次网页运行可能需要数十分钟，具体取决于服务负载。

背景

顶发射 QLED 在半透明 IZO 电极与 Ag 反射镜之间形成微腔。改变电子传输层或顶部电极厚度都会改变光学相位、场分布以及生成光进入空气的比例。串联器件再增加第二个发光单元，因此腔体需要在 QD 发射波段内同时支持两个不同的源位置。

论文同时研究了光学优化和器件稳定性。本案例只复现光学 EQE/γ 图，不计算驱动电压、连接层电荷生成或寿命。

论文参数与 TMM 模型映射

单发光层器件（出光侧 → Ag）

膜层	厚度
IZO 顶电极	标称 `110 nm`；扫描 `40–320 nm`
MoO₃	`10 nm`
TCTA	`50 nm`
红光 QD EML	`20 nm`
ZnMgO	标称 `70 nm`；扫描 `5–360 nm`
IZO bottom	`5 nm`
Ag 反射镜	`100 nm`

串联器件（出光侧 → Ag）

膜层	厚度
IZO 顶电极	标称 `100 nm`；扫描 `20–180 nm`
顶部 MoO₃ / TCTA / 红光 QD EML	`10 / 50 / 20 nm`
顶部 ZnMgO	标称 `120 nm`；扫描 `40–180 nm`
IZO 连接层	`2 nm`
底部 MoO₃ / TCTA / 红光 QD EML	`10 / 50 / 20 nm`
底部 ZnMgO	`70 nm`
IZO bottom	`5 nm`
Ag 反射镜	`100 nm`

两个红光 QD 层使用相同的数字化 PL 光谱。本案例把数字化 PL 纵轴解释为光子概率谱；原图未明确给出光谱单位，若它实际表示辐射功率谱，则需先按光子能量换算，光谱加权结果会随之改变。

论文按下式合并两个发光单元的贡献：

\frac{EQE_{\mathrm{tandem}}}{\gamma_{\mathrm{tandem}}} = \frac{1}{2}\left( \frac{EQE_{b}}{\gamma_{b}}+ \frac{EQE_{t}}{\gamma_{t}} \right).

其中， $EQE_{\mathrm{tandem}}$ 、 $EQE_b$ 和 $EQE_t$ 分别表示串联器件、底部发光单元和顶部发光单元的外量子效率； $\gamma_{\mathrm{tandem}}$ 、 $\gamma_b$ 和 $\gamma_t$ 分别为对应的电效率或电荷平衡因子；下标 $b$ 与 $t$ 分别表示底部和顶部单元。系数 $1/2$ 来自论文采用的假设：两个单元具有相同电荷平衡，且 $\gamma_b=\gamma_t=\gamma_{\mathrm{tandem}}/2$ 。双发射体等权设置直接实现了该平均。

在本案例的 q₀ = 0.9 设置和论文除去 $\gamma$ 的比较口径下，Mode 的 Top Outcoupling 对应“有效辐射产率 × 顶部出光份额”，用作 $EQE/\gamma$ 的光学映射。它不是纯 LEE，也不包含器件的实际电荷平衡，因此不能当作实测 EQE。

复现目标与验收准则

单发光层热图的最强区域应位于 ZnMgO 70–80 nm、顶部 IZO 约 110 nm。
单发光层峰值与论文 36.56% 的锚点相差不超过一个百分点。
串联热图的最强区域应位于顶部 ZnMgO 110–120 nm、顶部 IZO 100–110 nm。
串联峰值与论文约 31.87% 的锚点相差不超过一个百分点。
全部网格点必须无求解错误完成；缺失单元格会使最优点对照失去明确性。

Dreapex TMM 建模路径

结构

导入对应模型。100 nm Ag 反射镜在光学上已足够厚，因此 Emission 计算中省略其后的玻璃。

光学设置

启用 Mode 并选择光谱加权平均。具体发射体、波长和扫描设置见下表。

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 Sweep；该提示不会阻塞本案例。

示例配置

单发光层模型

单发光层 QLED 结构

两个扫描层位于 QD 发射层两侧，共同调节腔体相位。

单层红光 QD 发射体设置

串联模型的两层 QD 复用这一发射体设置，只增加第二个源位置。

单层器件的光谱加权 Mode 探测器

Weighted Average 把 QD PL 权重纳入每个厚度组合的 Mode 结果。

单层器件 ZnMgO 与顶部 IZO 扫描

这组扫描生成 Figure 2c 对应的单发光层腔体图。

串联模型

从出光电极到 Ag 反射镜的完整串联结构

两个 QD 源分处 IZO 连接层两侧，处于不同的腔体位置。

顶部单元红光 QD 发射体设置

底部单元使用相同设置，因此不重复展示。

串联器件顶部 ZnMgO 与顶部 IZO 扫描

这组扫描生成 Figure 2d 对应的串联腔体图。

配置项	单发光层模型	串联模型
启用的 EML	单个红光 QD EML	两个红光 QD EML，各自权重 `1`
发射体	数字化 PL；Probability；Isotropic；相对位置 `0.5` 的 Delta；量子效率 `0.9`	与单层模型相同
Mode	Weighted Average；`590–670 nm`；步长 `5 nm`；Top Outcoupling	与单层模型相同
横轴	ZnMgO：`5–360 nm`，步长 `5 nm`	顶部 ZnMgO：`40–180 nm`，步长 `4 nm`
纵轴	顶部 IZO：`40–320 nm`，步长 `5 nm`	顶部 IZO：`20–180 nm`，步长 `2 nm`
网格	`72 × 57 = 4,104` 个组合	`36 × 81 = 2,916` 个组合

仿真结果与 Figure 2 对照

Figure 2c-d 使用相同的色彩图逻辑，可直接比较单层与串联器件的峰值和高值区域。

Figure 2c：单发光层腔体图

单发光层光谱加权 Top Outcoupling 热图

高值区随两个厚度呈弯曲带状分布，说明 ZnMgO 与顶部 IZO 共同补偿腔体相位。完整 4,104 点计算无错误完成，最大值为 35.80%，对应 ZnMgO 75 nm、顶部 IZO 110 nm。论文最强区域位于相同的标称腔体附近，峰值为 36.56%，两者相差 0.76 个百分点。

Figure 2d：串联腔体图

串联器件光谱加权 Top Outcoupling 热图

本次复现使用顶部 ZnMgO 4 nm、顶部 IZO 2 nm 步长，使完整结果可在网页图表中呈现。主要高值脊位于顶部 ZnMgO 112–120 nm、顶部 IZO 100–106 nm 附近，并沿两条厚度轴倾斜延伸，说明两种厚度可共同补偿腔体相位。完整 2,916 点计算无错误完成，最大值为 31.87%，对应顶部 ZnMgO 112 nm、顶部 IZO 106 nm；论文标称的 120/100 nm 设计点为 31.72%，仅比最大值低 0.14 个百分点。

数量	论文	仿真
单层器件峰值	`36.56%`	`35.80%`
单层最优点	约 `70/110 nm`	`75/110 nm`
串联峰值	约 `31.87%`	`31.87%`
串联最优点	约 `120/100 nm`	`112/106 nm`

单层结果较好复现了峰值与设计区域；串联峰值在论文给出的精度下几乎一致，其最优点相对论文标称设计的顶部 ZnMgO 低 8 nm，顶部 IZO 高 6 nm。

偏差分析

补充信息只给出 RQD 和 TCTA 的折射率，没有消光系数，因此其 k 明确设为零。
按补充信息中的近似，MoO₃ 复用 TCTA 光学常数，而未使用独立的 MoO₃ 数据。
PL 与光学常数曲线均来自数字化，采样和插值会使窄腔体最优点移动数纳米。
每个 EML 使用中央各向同性 Delta 发射体；分布式复合区或不相等的单元权重会改变串联热图。
平面模型不包含电极粗糙度与散射，预测的是光学 EQE/γ 图，不是器件实测 EQE 或寿命。

后续扩展

在两个峰值附近运行 1 nm 局部扫描，估计连续最优点。
使用实测复数色散替换以 TCTA 代替 MoO₃ 的近似。
扫描两个串联发射体的相对权重，表示电学失衡。
增加发射体位置变量，量化两个复合区的容差。

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