串联 QLED 腔长优化

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 https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02021

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。 (来源: 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。

注意

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

1. 单发光层热图的最强区域应位于 ZnMgO 70–80 nm、顶部 IZO 约 110 nm。
2. 单发光层峰值与论文 36.56% 的锚点相差不超过一个百分点。
3. 串联热图的最强区域应位于顶部 ZnMgO 110–120 nm、顶部 IZO 100–110 nm。
4. 串联峰值与论文约 31.87% 的锚点相差不超过一个百分点。
5. 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。

注意

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

两个扫描层位于 QD 发射层两侧，共同调节腔体相位。

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。

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

这组扫描生成 Figure 2c 对应的单发光层腔体图。

串联模型

两个 QD 源分处 IZO 连接层两侧，处于不同的腔体位置。

底部单元使用相同设置，因此不重复展示。

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。

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

Figure 2c：单发光层腔体图

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

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

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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

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

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继续深入

本教程只覆盖操作步骤。物理原理、每项功能的完整参数、结果的解读方式，以及算法验证，都在文档站：

• 传递矩阵法原理 — 教程背后的物理与公式
• 功能指南 — 每个界面与参数的完整说明
• 结果分析 — 各类结果的读法与判断依据
• 打开 Dreapex TMM — 在浏览器中直接建模计算