扫描和优化

扫描（Sweep）是探究光学机理、优化器件参数的关键工具。本节将介绍扫描功能的使用和器件优化方法。

扫描（Sweep）

Leda 的扫描设置很简单，只需要在 Sweep 菜单中配置扫描项，点击工具栏的 Run Sweep 即可完成扫描。

点击侧边栏的 Sweep 进入扫描设置界面，如下：

操作扫描项

最上方为扫描项操作工具，可以用于扫描项的新增（Add）、上移（Move Up）、下移（Move Down）、删除（Delete）。

其中 Move Up、Move Down、Delete，在未选择扫描项时处于不可用状态，需要先点击扫描项选中后才能操作。选中后扫描项的最左边会出现一个 蓝色 的选中指示器，代表当前选中的扫描项。

• 扫描项的添加：点击 Add 在最下方添加扫描项。
• 扫描项的排序：除了在选中层时使用 Move Up、Move Down 外，还可以直接拖拽左边的 ⋮⋮ 符号来进行排序。
• 扫描项的删除：选中层后点击 Delete 即可删除该层，也可以点击扫描项最右边的 ⨉ 进行删除。

扫描项的配置

点击扫描项的 Parameter 一栏，在级联选择器中选择目标参数。例如选择 Layer/PEDOT/Thickness 来扫描 PEDOT 层的厚度；选择 Emitter/QD/Emitter/Quan. Eff. 来扫描 QD 发光层名为 Emitter 的发光体的本征量子效率。

在 From、To、Step 分别填入扫描范围。例如 Layer/PEDOT/Thickness 项中填入 10、200、5 意味着 PEDOT 层的厚度将以 5 nm 为间隔，从 10 nm 增加到 200 nm。

扫描项配置有以下规范：

• 单位由 Structure 中的设置决定，扫描仅修改数值不会定义单位。
• 扫描范围要求大于 0 且递增，Step 为正数，并且扫描点数不能超过 200 以免计算量过大。
• 精度为小数点后 2 位。

扫描容量

扫描容量为 2，即一次只能有 2 个扫描项。在扫描配置界面的右上角会显示 扫描参数数量/当前可用容量，当 扫描参数数量 大于 当前可用容量 时会出现橙色警告，软件下方错误状态栏也会变为橙色。

可以通过 取消勾选 来关闭扫描项，不用删除扫描项。

为什么只允许 2 个扫描项

1. 二维图表只能显示二维数据。
2. 三维数据存储和处理难度高，且计算量大，计算时长久。

尽管扫描容量有限，但仍然可以基于光学原理，通过多次扫描来实现更多参数的优化。

探测器占用扫描通道

有时扫描容量并非为 2，而是 1 或者 0，如下图。

这是因为 Detector 占用了扫描通道。

例如 Spectrum 探测器的 Angle Type 选择 Sweep 时占用了 1 个扫描通道，Power Dissipation 探测器的 Wavelength Type 选择 Sweep 时占用了 2 个扫描通道。

此时在启用的探测器中，Power Dissipation 占用最多的扫描通道为 2，因此 Sweep 可用的扫描容量为 2-2=0。

探测器组合影响扫描通道

Power Dissipation 探测器默认占用 1 个扫描通道，如果 Wavelength Type 选择 Sweep 会占用 2 个扫描通道。

因此同时启用多个探测器时，需要考虑探测器对扫描通道的占用。例如我想探究 TPBi 厚度和 PDEOT:PSS 厚度对单一角度下的光谱的影响，需要 2 个扫描通道，此时开启 Power Dissipation 探测器会占用 1 个扫描通道，导致 Sweep 可用的扫描通道仅剩 1 个，无法完成双参数扫描。因此我们应该关闭 Power Dissipation 探测器。

优化（Optimization）

微腔的效率优化

根据 微腔效应 的原理可知，微腔由偶极子和反射面（特别是金属反射面）之间的距离、腔长调控。具体来说效率跟以下参数有关：

1. HTL 厚度
2. ETL 厚度
3. EML 厚度
4. 偶极子在 EML 中的位置

对于只有单一金属电极的结构，首先优化 Emitter 与金属电极之间的距离。例如 Air/Substrate/ITO/PEDOT/QD/TPBi/Al/Air 结构中，优先优化 TPBi 的厚度，其次是 PEDOT 的厚度。

Mode 探测器可以最直观地观察 LEE 优化，因此 Detector 中仅激活 Mode 探测器，配置如下：

在 Sweep 中配置 TPBi 和 PEDOT 的厚度扫描：

点击功能栏中的 Run Sweep 按钮，等待进度条达到 100% 完成仿真。

周期性变化

点击侧边栏 Mode，在右边设置中 Chart Type 切换为 Heatmap，可以查看各个 Mode 随着扫描项的变化（点击以下视频播放）。

Mode 选择 Top Out.，在结果中观察到 LEE 受到 TPBi 和 PDEOT 厚度的影响，并且出现 周期性 变化。

其中 LEE 随 TPBi 厚度变化的起伏更大，而随 PEDOT 厚度变化的起伏较小。这与 微腔效应 所述的一致，因为 TPBi 厚度既主导了广角干涉（Wide-angle interference）也调控了多光束干涉（Multiple-beam interference）。

在 TPBi 厚度为 220 nm；PEDOT 厚度为 60 nm 时，达到最佳 LEE = 31.22%。然而由于材料电学性质的限制，该厚度下的 TPBi 会影响电荷传输，实际上并不会选择该厚度。因此 TPBi 厚度可以选择在 40–50 nm 的区间，PEDOT 厚度选择在 40–80 nm 的区间，这样仍然可以实现 28% 以上的 LEE。

从扩展到细化

尽管由于电学限制，实际情况下 TPBi 厚度并不可能达到 300 nm，但是在以上案例中我们仍然将扫描项的区间 扩展 到了 300 nm。这是为了更好地观察到微腔带来的 LEE 周期性变化。

针对实际情况，我们可以将扫描区间限制在 100 nm 以内，并将 Step 调到更小值来 细化 扫描，这样可以获得更加准确的优化参数（点击以下视频播放）。

增强微腔

强微腔结构

一般来说，仅有一层金属电极的微腔称为弱微腔（Weak microcavity）；有一层金属电极和一层半透明金属电极的微腔称为强微腔（Strong microcavity），因为其具有更强的干涉效果。

强微腔和器件结构的关系

关于强微腔和弱微腔表述

有些学者会认为该表述不严谨，微腔效应要有多强才能称为“强微腔”并不具有严格定义。然而我们认为强微腔（Weak microcavity）和弱微腔（Strong microcavity）是一种用来区分是否具有半透明金属电极或分布式布拉格反射器（distributed Bragg reflector, DBR）的通俗表述，“强”和“弱”是相对的，并不意味着一定要有非常强的微腔作用才能称为“强微腔”。

顶发射结构具有更强的微腔效应

相比于底发射结构，顶发射结构由于发射面没有基底，一般具有更强的微腔效应。但没有半透明金属电极的情况下我们仍然将其归类为“弱微腔”。

• 底发射弱微腔：Substrate/ITO/CTL/EML/CTL/Metal
• 底发射强微腔：Substrate/ITO/Semitransparent metal/CTL/EML/CTL/Metal
• 顶发射弱微腔：Substrate/Metal/CTL/EML/CTL/ITO
• 顶发射强微腔：Substrate/Metal/CTL/EML/CTL/Semitransparent metal

其中，EML 为发光层（Emissiion layer）；CTL 为电荷传输层（Charge transport layer）。

优化流程

以底发射结构 Substrate/ITO/HTL/EML/ETL/Metal 为例，增强微腔有以下基于经验的优化流程：

1. 简化结构（可选）：仅激活一层 HTL 和一层 ETL，取消勾选其它传输层。
2. 扫描 HTL 和 ETL 厚度，确认在最优有效率下发光体和全反射金属电极之间的层（传统底发射结构为 ETL）的厚度，将该值输入到 Structure 中。
3. 在 HTL 和 ITO 之间添加半透明金属层，扫描金属和 HTL 的厚度。
4. 更换金属材料（Al/Ag/Au）重复上一步流程，找到最适合的金属材料（如果所有金属都会导致效率下降，则该结构不适合做双金属层的增强微腔）。
5. 确认最佳的半透明金属层厚度，并输入到 Structure 中。
6. 重新扫描 HTL 和 ETL 厚度，确认效率最大值相比于无半透明金属层时候的提升。
7. 激活第一步中未激活的层，探究这些层对微腔是否有影响。