顶发射 QLED 出光耦合

Highly Efficient Top-Emitting Quantum-Dot Light-Emitting Diodes with Record-Breaking External Quantum Efficiency of over 44.5% 作者： Haotao Li、Shiming Zhou、Shuming Chen 期刊： Laser & Photonics Reviews 17(8), 2300371（2023） · 对照目标： Figure 1b-d、Figure 3c、Figure 3f、Figure 4a、Figure 4c https://doi.org/10.1002/lpor.202300371

Li 等（2023）比较了底发射与顶发射红光 QLED 的光学损耗，并在顶发射结构中使用两层 IZO 调节微腔相位。两层 IZO 的厚度决定各光学模式的功率分配，也决定有多少发光能量从顶部逸出。

这些图构成了论文光学论证的主线。EQE/γ 表示以电荷平衡因子 γ 归一化的外量子效率，用于单独比较光学结构的贡献。

论文图	图像在论文中的作用	本案例复现的内容
Figure 1b	定量比较底发射与顶发射器件的出光、基底、波导、表面等离激元（SPP）和吸收通道	626 nm 下两种结构的 Mode 结果
Figure 1c	通过面内波矢定位基底模、波导模和 SPP 峰，解释模式分配变化	626 nm 下两种结构的 Power Dissipation 结果
Figure 1d	给出两层 IZO 共同决定的高效率区域和最优厚度	两层 IZO 的二维厚度扫描及 EQE/γ 最大值
Figure 3c	检验底部 IZO 对宽角干涉和 EQE/γ 的周期调制	固定顶部 IZO 后的底部 IZO 扫描
Figure 3f	检验顶部 IZO 对多光束干涉的调制，并确定双层 IZO 的组合厚度	固定底部 IZO 后的顶部 IZO 扫描
Figure 4a	说明增加底部 IZO 厚度时功率如何在出光、波导和 SPP 等通道间转移	各模式占比随底部 IZO 厚度的变化
Figure 4c	用峰位移动和波导峰数量解释 Figure 4a 的通道变化，为后续波导光提取提供依据	0、5 和 160 nm 底部 IZO 的功率耗散谱

本案例按上述顺序复现 Figure 1b-d、Figure 3c、Figure 3f、Figure 4a 和 Figure 4c，并将论文数值与 Dreapex TMM 的真实计算结果逐项对照。

注意

论文原图尚未取得商业再利用授权，本页不予转载。Figure 1、Figure 3 和 Figure 4 可在原文中查看；下文标注为“论文”的数值均来自论文正文或从原图独立读取。

复现数据

建模前先下载折射率和发光光谱文件。折射率数据从论文补充信息 Figure S1 提取；复用这些文件时，请引用 Li 等（2023）。

折射率数据

材料	下载
IZO	:case-data-download{path="/data/case-studies/top-emitting-qled-outcoupling/IZO1-lpor.202300371.nk"}
PEDOT:PSS	:case-data-download{path="/data/case-studies/top-emitting-qled-outcoupling/PEDOT-lpor.202300371.nk"}
TFB	:case-data-download{path="/data/case-studies/top-emitting-qled-outcoupling/TFB-lpor.202300371.nk"}
Red CdSe QD	:case-data-download{path="/data/case-studies/top-emitting-qled-outcoupling/RQD1-lpor.202300371.nk"}
ZnMgO	:case-data-download{path="/data/case-studies/top-emitting-qled-outcoupling/ZnMgO-lpor.202300371.nk"}
Ag	:case-data-download{path="/data/case-studies/top-emitting-qled-outcoupling/Ag-lpor.202300371.nk"}

发光光谱数据

:case-data-download{path="/data/case-studies/top-emitting-qled-outcoupling/Red%20CdSe%20QD-lpor.202300371.pl" label="Red CdSe QD PL 光谱"}

结构

按下表分别建立底发射和顶发射模型，操作方法见发光结构。膜层从出光侧排至 Ag 反射层，模型不含外部散射层。

底发射结构

底发射器件经玻璃衬底出光。将 Glass 设为非相干层（Inco.），QD 层设为发光层（Emis.）。

膜层	厚度	层状态
Glass	1 mm	Inco.
IZO top	110 nm	无
PEDOT:PSS	35 nm	无
TFB	25 nm	无
Red QD EML	20 nm	Emis.
ZnMgO	70 nm	无
IZO bottom	150 nm	无
Ag	100 nm	无

底发射结构设置如下：

顶发射结构

顶发射器件经顶部 IZO 电极出光。Mode 探测器要求发光层下方的有限层保持相干，因此不能在 100 nm Ag 后添加非相干 Glass 基底。100 nm Ag 几乎不透光，省略其后的 Glass 不会实质影响计算结果。

膜层	厚度	层状态
IZO top	100 nm	无
ZnMgO	70 nm	无
Red QD EML	20 nm	Emis.
TFB	25 nm	无
PEDOT:PSS	35 nm	无
IZO bottom	150 nm	无
Ag	100 nm	无

顶发射结构设置如下：

光学与发光设置

两种结构使用相同的发射体和探测器设置，在 626 nm 下计算光学模式分配与功率耗散谱。

发射体

在两种结构的 Red QD EML 层中展开 Emitters，添加一个发射体，并按下表设置。Delta 表示偶极集中在 QD 层厚度中央，因此 Position 设为 0.5。

界面字段	设置
Emitter name	Red QD PL
Spectrum Type	File
Spectrum Unit	Probability
Spectrum File	导入前文下载的 Red CdSe QD-lpor.202300371.pl
Dipole Orientation	Isotropic
Distribution	Delta
Position	0.5
Conversion Efficiency	1
Quantum Efficiency	1
Multiplication Factor	1

设置完成后的界面如下：

Mode 探测器

进入 Optics 的 Emission 页，勾选 Mode。将 Wavelength Mode 设为 Single，将 Wavelength 设为 626 nm。该设置输出 Figure 1b 所需的单波长模式占比。

Power Dissipation 探测器

继续在 Emission 页勾选 Power Dissipation，并按下表设置。In-plane u 是归一化面内波矢，也是论文 Figure 1c 的横坐标。

界面字段	设置
Wavelength Mode	Single
Wavelength	626 nm
In-plane Vector Type	In-plane u
From	0
To	2
Step	0.002

在顶发射模型中重复相同的发射体、Mode 和 Power Dissipation 设置。分别点击 Run，计算两种结构的结果。

底发射与顶发射的模式对照（Figure 1b、Figure 1c）

光功率在各模式间的分配（Figure 1b）

下图按光学通道比较论文 Figure 1b的数据与 Dreapex TMM 的 Mode 结果：

论文 Figure 1b 的通道效率与本次 626 nm Mode 运行结果，按同一通道顺序并排。 (来源: 论文数据来自 Li 等 Figure 1b；Dreapex TMM 数据来自本案例真实计算；图形由 Dreapex 绘制)

顶发射模型的出光侧没有非相干基底，因此 Substrate 为 0。其 Top Outcoupling 与 Waveguide 占比均高于底发射模型。

通道	论文底发射	仿真底发射	论文顶发射	仿真顶发射
Air / Top Outcoupling	41.42%	41.53%	45.74%	45.32%
Sub / Substrate	19.62%	19.02%	0%	0%
WG / Waveguide	31.05%	29.78%	49.54%	46.42%
SPP / Evanescent	2.80%	4.87%	1.47%	4.65%
Abs / Absorption	5.10%	4.79%	3.25%	3.59%

底发射与顶发射的出光比例分别比论文值高 0.11、低 0.42 个百分点。Substrate 表示耦合到玻璃衬底、未逸出到空气的功率。论文的 SPP 与 Dreapex TMM 的 Evanescent 数值存在差异，可能由于两者在平面波矢上的统计范围不同。

功率耗散随面内波矢的分布（Figure 1c）

论文 Figure 1c 比较底发射与顶发射结构在 626 nm 下的功率耗散谱。分别运行两个模型，打开 Power Dissipation 结果。在右侧控制栏把 Polarization 设为 Total，把 Direction 设为 Total，并开启 Logarithmic Y-axis。需要导出原始数据时，点击 Export CSV；后文的峰位来自导出文件中的 uInplane 和 K_total 两列。

底发射结构的结果如下：

顶发射结构的结果如下：

结构	模式特征	论文 $u$	仿真 $u$	$\Delta u$
底发射	Sub	0.72	0.732	+0.012
底发射	WG1	约 0.87	0.868	-0.002
底发射	WG2	约 0.96	0.938	-0.022
顶发射	WG1	约 0.55	0.544	-0.006
顶发射	WG2	约 0.82	0.818	-0.002
顶发射	WG3	约 0.94	0.922	-0.018

可直接比较的衬底模与波导模位置相差 0.002–0.022。论文标注的 SPP 特征约位于底发射 1.12、顶发射 1.43；相关仿真峰位请以软件结果为准。

IZO 厚度对出光效率的影响（Figure 1d）

Figure 1d 的计算在顶发射模型中使用 PL 光谱加权的 Mode 探测器，并扫描两层 IZO 的厚度。操作方法见参数扫描。

论文 Figure 1d 图面顶部标注 QY (glass/QD/ZMO) = 90.59%，因此这里将 Quantum Efficiency 设为 0.9059。

扫描设置	值
探测器	光谱加权 Mode，570–670 nm，步长 5 nm
发射体量子效率	0.9059
扫描变量	底部 IZO 5–200 nm；顶部 IZO 5–200 nm；步长均为 5 nm

在发射体设置中将 Quantum Efficiency 从 1 改为 0.9059。进入 Optics 的 Emission 页，只勾选 Mode；将 Wavelength Mode 设为 Weighted Average，再将 From、To 和 Step 分别设为 570、670 和 5 nm。软件会用已经导入的 Red QD PL 光谱对各波长结果加权。

当 Quantum Efficiency 小于 1 时，Mode 的各光学通道占比已经包含腔内有效辐射量子效率，剩余部分列为 Non-radiative。因此本次扫描的 Top Outcoupling 对应论文 Equation (1) 中的 ηrad,cav × ηout = EQE/γ，其中 ηrad,cav 是腔内有效辐射量子效率，ηout 是 OCE；该结果不是单独的 ηout。如需计算纯顶部出光耦合比例，可用 Top Outcoupling 除以所有光学通道之和；单发射体时，该和等于 1 − Non-radiative。

光谱加权的 Mode 设置如下：

进入 Sweep，添加两个 Single 类型的变量。第一行的 Parameter 选择 structure / IZO bottom / thickness，第二行选择 structure / IZO top / thickness；两行的 From、To、Sampling 和 Step 均设为 5 nm、200 nm、Step 和 5 nm。勾选两行后，共得到 40 × 40 = 1600 个厚度组合。

扫描结果

点击工具栏中的 Sweep 运行扫描。完成后，依次打开 Mode 和 Distribution，将 Chart Type 设为 Heatmap，将 Mode channel 设为 Top Outcoupling。横轴为 IZO bottom 厚度，纵轴为 IZO top 厚度。该热图可与论文 Figure 1d对照：

论文设计点与仿真最大值位于同一高效率区域，顶部 IZO 厚度相差一个扫描步长。

对照量	论文	仿真
最优底部 IZO	150 nm	150 nm
最优顶部 IZO	100 nm	105 nm
峰值 EQE/γ	41.4%	41.12%
150/100 nm 处仿真值	未报告	40.88%

峰值指标相差 0.28 个百分点。

两层 IZO 对出光效率的独立影响（Figure 3c、Figure 3f）

Figure 3c 固定顶部 IZO 为 20 nm，扫描底部 IZO；Figure 3f 固定底部 IZO 为 160 nm，扫描顶部 IZO。两组计算均使用 Figure 1d 的 PL 光谱加权 Mode 设置和 0.9059 的发射体量子效率。

目标图	固定厚度	扫描厚度	扫描步长
Figure 3c	IZO top = 20 nm	IZO bottom = 5–200 nm	5 nm
Figure 3f	IZO bottom = 160 nm	IZO top = 5–200 nm	5 nm

论文曲线包含 0 nm。Dreapex TMM 的膜层厚度必须大于 0，因此 0 nm 数据点通过删除对应 IZO 层并单独运行获得，不把 0 nm 输入为一个非法厚度。

底部 IZO 厚度与出光效率（Figure 3c）

将 IZO top 厚度改为 20 nm。Mode 保持 Weighted Average、570–670 nm 和 5 nm 步长，发射体 Quantum Efficiency 保持 0.9059。在 Sweep 中保留两行厚度变量，只勾选 structure / IZO bottom / thickness；将该行设为 5–200 nm、Sampling 设为 Step、Step 设为 5 nm。取消勾选 IZO top 的扫描行。

点击 Sweep。运行后依次打开 Mode 和 Distribution，将 Chart Type 设为 Line。图中的 Top Outcoupling 是与论文模拟 EQE/γ 对照的通道；其他通道可用于检查出光变化对应的功率转移。

仿真曲线在 20 nm 和 175 nm 出现两个局部峰，在 75 nm 达到谷值。论文 Figure 3c 的两个高值区约位于 20 nm 和 175 nm，谷值约位于 80 nm，峰谷顺序一致。

仿真位置	EQE/γ
20 nm	17.89%
75 nm	3.43%
160 nm	20.27%
175 nm	20.83%

论文实验器件在 160 nm 获得 22.7% 的最高 EQE。该实验点包含电荷平衡和器件制造差异，本案例只复现光学模型给出的 EQE/γ 曲线。

顶部 IZO 厚度与出光效率（Figure 3f）

将 IZO bottom 厚度改为 160 nm。保持相同的发射体和光谱加权 Mode 设置。在 Sweep 中取消勾选 structure / IZO bottom / thickness，勾选 structure / IZO top / thickness；将顶部 IZO 扫描范围设为 5–200 nm，Sampling 设为 Step，Step 设为 5 nm。

点击 Sweep，然后在 Mode 的 Distribution 结果中选择 Line。运行结果如下：

仿真在 100 nm 处达到唯一最大值 40.63%，与论文 Figure 3f 的峰值厚度一致。20 nm 和 170 nm 处的仿真值分别为 20.27% 和 19.78%，曲线从低值上升至 100 nm 峰值后再次下降。论文报告的 100 nm 实验器件 EQE 为 39.2%，实验散点不属于本案例的仿真输出。

底部 IZO 对模式分配的影响（Figure 4a）

Figure 4a 固定 IZO top 为 100 nm，并扫描 IZO bottom。将 IZO top 厚度改为 100 nm，将发射体 Quantum Efficiency 改为 1，使光学通道之和等于 100%。Mode 保持 Weighted Average、570–670 nm 和 5 nm 步长。在 Sweep 中只勾选 structure / IZO bottom / thickness，范围设为 5–200 nm，Sampling 设为 Step，Step 设为 5 nm。

点击 Sweep。运行后依次打开 Mode 和 Distribution，将 Chart Type 设为 Stack。堆叠图显示底部 IZO 厚度变化时，功率如何在各模式之间重新分配：

软件截图显示 5–200 nm 的扫描结果；0 nm 点由删除 IZO bottom 后的独立运行补充。第二个出光峰位于 155 nm，与论文给出的 160 nm 相差一个扫描步长。160 nm 处的 Waveguide 为 46.81%，符合论文所述“接近 50%”。

底部 IZO	Top Outcoupling	Waveguide	Evanescent	Absorption
0 nm	41.95%	47.93%	6.70%	3.41%
155 nm	45.17%	46.58%	4.52%	3.72%
160 nm	44.63%	46.81%	4.42%	4.12%

论文的 SPP 与 Dreapex TMM 的 Evanescent 数值存在差异，可能由于两者在平面波矢上的统计范围不同。从 0 nm 到 160 nm，Evanescent 的下降趋势与论文对 SPP 变化的讨论一致。

底部 IZO 厚度与模式峰位（Figure 4c）

固定 IZO top 为 100 nm，分别建立 0、5 和 160 nm 的 IZO bottom 模型。0 nm 模型需要删除 IZO bottom 层，不能输入 0 nm 厚度。三个模型都只勾选 Power Dissipation，并使用以下设置：

界面字段	设置
Wavelength Mode	Single
Wavelength	628 nm
In-plane Vector Type	In-plane u
From	0
To	2
Step	0.002

论文 Figure 4 的图注写 628 nm，Figure 4c 的横轴写 626 nm。本页以图注的 628 nm 为主结果，并用 626 nm 重算核对。两种波长下的主要峰位差不超过 0.004。

分别点击 Run。在每个模型的 Power Dissipation 结果中把 Polarization 和 Direction 都设为 Total，然后点击 Export CSV。取三个文件中的 uInplane 和 K_total 两列，用 Matplotlib 绘制到同一个对数纵轴上。三条曲线统一除以 0 nm 曲线在 $0.02 \leq u \leq 0.25$ 区间的 K_total 平均值，保留模型之间的相对幅度。该图只绘制本案例的真实计算结果，不含论文曲线。

底部 IZO	628 nm 下的主要峰位
0 nm	0.580、0.868、0.916
5 nm	0.592、0.868、0.932
160 nm	0.556、0.824、0.930

160 nm 曲线还在约 1.29 处出现弱肩峰。三组曲线的主要峰形和位移趋势与论文 Figure 4c一致。

偏差说明

• 论文未提供光学常数的原始数值文件，本案例使用从补充信息 Figure S1 提取并线性插值的数据，曲线提取和插值误差会影响微腔相位。
• 二维厚度扫描采用 5 nm 步长，最优厚度的分辨率受该步长限制。
• 本案例得到的最优 IZO top 厚度比论文高 5 nm，峰值 EQE/γ 比论文低 0.28 个百分点。

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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