OLED分子配向研究之滨松解决方案
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在OLED领域，通过提高器件的外量子产率（EQE），从而得到亮度更高、发光效率更好的产品是最热门的研究课题。因为器件的EQE为发光层内量子效率与输出耦合效率的乘积（EQE=PLQY×ηout）得出，所以为了提高器件的EQE，两种主要的手段就是：（1）提高发光层材料的内量子效率（PLQY）；（2）提升输出耦合效率（ηout）。
在内量子效率方面。经过近年的大量研究，热活化延迟发光（TADF）材料已经可以将发光层的内量子效率提高至非常接近100%（详细情况可参考《 OLED/TADF研究之滨松解决方案 》）。
因此提高输出耦合效率就变得非常重要——最主要的手段就是对OLED材料分子配向（Molecular Orientation）的控制。
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分子配向（Molecular Orientation），又称分子取向，是由极性分子间的作用力形成的。在有机电致发光器件（OLED）的研究中，分子配向已被忽视了大约20年，其在器件性能上的影响尚未在微观层面上得到充分讨论。 直到最近，OLED中的分子间相互作用和水平分子配向的影响才得到研究和报道(D. Yokoyama, et.al, J. Mater. Chem., 21(2011),19187)。
通常而言，当OLED材料分子的水平取向占百分比越高，输出耦合效率越好（如图2）；当水平取向占比达到100%时，输出耦合效率达到最高值50%；而当水平取向占比只有50%时，输出耦合效率约为20%；当水平取向占比只有0%时，输出耦合效率为最低值0%。
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表征的分子配向有两个方式：分子偶极矩与Z轴（Z轴为垂直于发光层表面的方向轴）的夹角θ或者配向因子（orientational order parameter，通常用S表示）；分子偶极矩与Z轴的夹角θ从0°至90°对应于S值从1至-0.5，两者可以通过公式相互转换（如图3）。由于配向因子S的测量更加容易，因此通常文献中都是用S表征。
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传统测量配向因子S的方法（VASE法，如图4）是用可变角度光谱椭偏仪（variable angle spectroscopic ellipsometry）测量，通过检测样品折射率n和消光系数k，计算得到配向因子(D. Yokoyama, et.al, J. Mater. Chem., 21(2011),19187)。该方法需要借助椭偏仪设备，椭偏仪操作复杂、体积庞大、测量时间长、结果不稳定、样品限制条件多，在得到初始数据以后，还需要做大量计算才能得到最终的配向因子。而正因为这些限制，OLED领域中关于配向因子S以及分子配向的研究在2011年之前都进展缓慢。
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图4 VASE法测量样品的n、k值(D. Yokoyama, et.al, J. Mater. Chem., 21(2011),19187)
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滨松长期和九州大学的Adachi教授保持紧密合作关系，从2011年开始Adachi和滨松合作一起研究更加便捷有效的配向因子测量方法.通过不断地建模计算和实验论证，最终建立了测量配向因子S的光子法（T.Komino, et al., Scientific Reports, 7(2017)，8405），而滨松也基于此模型研发了 C14234-11型分子配向测量系统 。
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图5. 滨松C14234-11分子配向测试系统的测量光路图和理论结果。样品与其石英基底紧贴半圆透镜上；系统通过LED光源激发被测样品，被测样品发出发射光，发射光中的p偏振光由偏光片检出并且被探测器接收。在Adachi的理论模型中，半圆透镜法线与光探测器接收面法线的夹角称为α，p偏振的光强在Z轴的分量（pz）随夹角α的变化而变化。在测量时，α角初始为0°，随着测量开始，半圆透镜和激发光源在每次测量后会逆时针步进一定角度步长，直到所有角度测量完毕，绘制出角度α和pz的关系曲线。在关系曲线中，pz有两个峰值，根据这两个峰值的强度以及对应α角度值，配合样品基底折射率（nsub）、样品发射层厚度（d）和样品发射层折射率（norg）等基础参数，便可以通过算法得到最终的配向因子S值 。
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滨松C14234-11分子配向测试系统不仅提供了光子法的成套硬件，而且集成了来自Adachi的完整软件算法。操作中，只需输入三个参数（基底折射率nsub、发射层折射率norg以及发射层厚度d），然后在软件中设置所需测量的α角度范围以及角度的步长，即可实现系统的全自动测量，并得到对应的配向因子S值。
以光子法为核心的滨松C14234-11分子配向测试系统避免了VASE法中椭偏仪的繁琐操作，具有整体光路简单、测量便捷有效，同时C14234-11的测量结果与理论计算值之间可以复测，相互验证，形成实验-理论-实验的闭环 (图7)。
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图6 滨松C14234-11分子配向测试系统的软件界面
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图7 用光子法测量得到的曲线图与S=0.41时的模拟曲线几乎一模一样（L.Zhao,et al, Appl. Phys. Lett. 106(2015),063301）
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针对OLED电致发光器件的研究，滨松不仅提供滨松C14234-11分子配向测试系统；还提供了测量电致发光器件朗伯分布、IVL参数以及EQE的C9920-11和C9920-12等两套测试系统。
同时针对上游的电致发光材料研究（如OLED，量子点，荧光粉材料等）还能够提供Quantaurus-QY（C9920-02）绝对量子效率测试系统。
除了覆盖了器件与材料研究所需求的完整产品线，上述四套系统还共用同一个核心的探测器部件，大大降低了未来升级系统的成本。
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文献
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关键词
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测量项目
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所用滨松产品
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 T.Komino, Y.Oki, C.Adachi et al., Dipole orientation analysis withoutoptical simulation application to thermally activated delayed fluorescence emitters doped, Scientific Reports,2017,7(1):8405.
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Molecular Orientation
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Order
Parameter
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PMA-12
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T.Matsushima, C.Adachi et al., Enhanced Electroluminescence from Organic
Light-Emitting Diodes with an Organic–Inorganic
Perovskite Host Layer, Adv. Mater., 2018, Vol 30.
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Molecular Orientation
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Order
Parameter
EQE
PL Spectrum
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C14234
C9920-12
PMA-12
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D.Kim, C.Adachi et al., High-efficiency electroluminescence and amplified
spontaneous emission from a thermally activated
delayed fluorescent near-infrared emitter, Progress in Photovoltaics Nature Photonics. 12, 98–106(2018)
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Molecular Orientation
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Order
Parameter
PL Spectrum
PLQY
TRPL
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C14234
PMA-11
C9920-02
C4334
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L.Zhao, C.Adachi et al., Horizontal molecular orientation in solution-processed organic light-emitting diodes, Appl. Phys. Lett. 106, 063301 (2015)
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Molecular Orientation
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Order
Parameter
PL Spectrum
PLQY
TRPL
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C111347-11
C9920-12
PMA-12
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T.Komino, C.Adachi et al, Selectively Controlled Orientational Order in Linear-Shaped Thermally Activated Delayed Fluorescent Dopants, Chem. Mater., 2014, 26 (12), pp 3665–3671
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Molecular Orientation
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J-V-L
PLQY
Order
Parameter
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C9920-12
C11347
PMA-11
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Y.Hasegawa, C.Adachi et al., Well-Ordered 4CzIPN ((4s,6s)-2,4,5,6-tetra(9Hcarbazol-9-
Yl)isophthalonitrile) Layers: Molecular Orientation, Electronic
Structure, and Angular Distribution of Photoluminescence, J. Phys. Chem. Lett., 2018, 9 (4), pp 863–867
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Molecular Orientation
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Order
Parameter
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C14234
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