# 分子配向

在OLED領(lǐng)域，通過提高器件的外量子產(chǎn)率（EQE），從而得到亮度更高、發(fā)光效率更好的產(chǎn)品是最熱門的研究課題。因為器件的EQE為發(fā)光層內(nèi)量子效率與輸出耦合效率的乘積（EQE=PLQY×ηout）得出，所以為了提高器件的EQE，兩種主要的手段就是：（1）提高發(fā)光層材料的內(nèi)量子效率（PLQY）；（2）提升輸出耦合效率（ηout）。

在內(nèi)量子效率方面。經(jīng)過近年的大量研究，熱活化延遲發(fā)光（TADF）材料已經(jīng)可以將發(fā)光層的內(nèi)量子效率提高至非常接近100%（詳細情況可參考《 OLED/TADF研究之濱松解決方案 》）。

因此提高輸出耦合效率就變得非常重要——最主要的手段就是對OLED材料分子配向（Molecular Orientation）的控制。

圖1 OLED產(chǎn)品的影響因素

分子配向（Molecular Orientation），又稱分子取向，是由極性分子間的作用力形成的。在有機電致發(fā)光器件（OLED）的研究中，分子配向已被忽視了大約20年，其在器件性能上的影響尚未在微觀層面上得到充分討論。 直到最近，OLED中的分子間相互作用和水平分子配向的影響才得到研究和報道(D. Yokoyama, et.al, J. Mater. Chem., 21(2011),19187)。

通常而言，當OLED材料分子的水平取向占百分比越高，輸出耦合效率越好（如圖2）；當水平取向占比達到100%時，輸出耦合效率達到最高值50%；而當水平取向占比只有50%時，輸出耦合效率約為20%；當水平取向占比只有0%時，輸出耦合效率為最低值0%。

圖2 分子配向?qū)τ诔龉怦詈闲实挠绊?/span>

# 配向因子S的表征以及傳統(tǒng)測量方法

表征的分子配向有兩個方式：分子偶極矩與Z軸（Z軸為垂直于發(fā)光層表面的方向軸）的夾角θ或者配向因子（orientational order parameter，通常用S表示）；分子偶極矩與Z軸的夾角θ從0°至90°對應(yīng)于S值從1至-0.5，兩者可以通過公式相互轉(zhuǎn)換（如圖3）。由于配向因子S的測量更加容易，因此通常文獻中都是用S表征。

圖3 表征分子配向的參數(shù)S以及S與θ角的關(guān)系

傳統(tǒng)測量配向因子S的方法（VASE法，如圖4）是用可變角度光譜橢偏儀（variable angle spectroscopic ellipsometry）測量，通過檢測樣品折射率n和消光系數(shù)k，計算得到配向因子(D. Yokoyama, et.al, J. Mater. Chem., 21(2011),19187)。該方法需要借助橢偏儀設(shè)備，橢偏儀操作復雜、體積龐大、測量時間長、結(jié)果不穩(wěn)定、樣品限制條件多，在得到初始數(shù)據(jù)以后，還需要做大量計算才能得到最終的配向因子。而正因為這些限制，OLED領(lǐng)域中關(guān)于配向因子S以及分子配向的研究在2011年之前都進展緩慢。

圖4 VASE法測量樣品的n、k值(D. Yokoyama, et.al, J. Mater. Chem., 21(2011),19187)

# 配向因子S測量之濱松解決方案

濱松長期和九州大學的Adachi教授保持緊密合作關(guān)系，從2011年開始Adachi和濱松合作一起研究更加便捷有效的配向因子測量方法.通過不斷地建模計算和實驗論證，最終建立了測量配向因子S的光子法（T.Komino, et al., Scientific Reports, 7(2017)，8405），而濱松也基于此模型研發(fā)了 C14234-11型分子配向測量系統(tǒng) 。

圖5. 濱松C14234-11分子配向測試系統(tǒng)的測量光路圖和理論結(jié)果。

樣品與其石英基底緊貼半圓透鏡上；系統(tǒng)通過LED光源激發(fā)被測樣品，被測樣品發(fā)出發(fā)射光，發(fā)射光中的p偏振光由偏光片檢出并且被探測器接收。在Adachi的理論模型中，半圓透鏡法線與光探測器接收面法線的夾角稱為α，p偏振的光強在Z軸的分量（pz）隨夾角α的變化而變化。在測量時，α角初始為0°，隨著測量開始，半圓透鏡和激發(fā)光源在每次測量后會逆時針步進一定角度步長，直到所有角度測量完畢，繪制出角度α和pz的關(guān)系曲線。在關(guān)系曲線中，pz有兩個峰值，根據(jù)這兩個峰值的強度以及對應(yīng)α角度值，配合樣品基底折射率（nsub）、樣品發(fā)射層厚度（d）和樣品發(fā)射層折射率（norg）等基礎(chǔ)參數(shù)，便可以通過算法得到最終的配向因子S值 。

濱松C14234-11分子配向測試系統(tǒng)不僅提供了光子法的成套硬件，而且集成了來自Adachi的完整軟件算法。操作中，只需輸入三個參數(shù)（基底折射率nsub、發(fā)射層折射率norg以及發(fā)射層厚度d），然后在軟件中設(shè)置所需測量的α角度范圍以及角度的步長，即可實現(xiàn)系統(tǒng)的全自動測量，并得到對應(yīng)的配向因子S值。

以光子法為核心的濱松C14234-11分子配向測試系統(tǒng)避免了VASE法中橢偏儀的繁瑣操作，具有整體光路簡單、測量便捷有效，同時C14234-11的測量結(jié)果與理論計算值之間可以復測，相互驗證，形成實驗-理論-實驗的閉環(huán) (圖7)。

圖6 濱松C14234-11分子配向測試系統(tǒng)的軟件界面

圖7 用光子法測量得到的曲線圖與S=0.41時的模擬曲線幾乎一模一樣（L.Zhao,et al, Appl. Phys. Lett. 106(2015),063301）

# 靈活的搭配，完整的產(chǎn)品線

針對OLED電致發(fā)光器件的研究，濱松不僅提供C14234-11分子配向測試系統(tǒng)；還提供了測量電致發(fā)光器件朗伯分布、IVL參數(shù)以及EQE的C9920-11和C9920-12等兩套測試系統(tǒng)。

同時針對上游的電致發(fā)光材料研究（如OLED，量子點，熒光粉材料等）還能夠提供Quantaurus-QY（C9920-02）絕對量子效率測試系統(tǒng)。

除了覆蓋了器件與材料研究所需求的完整產(chǎn)品線，上述四套系統(tǒng)還共用同一個核心的探測器部件，大大降低了未來升級系統(tǒng)的成本。

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