基板效应下OLED有机薄膜的折射率梯度：光谱椭偏法的精确表征与分析

有机发光二极管（OLED）的性能优化高度依赖对其组成材料光学常数（特别是复折射率）的精确掌握。然而，当前研究领域存在显著空白：现有光学数据往往局限于少数特定材料或窄光谱范围，且缺乏系统性的基板影响研究。这种数据匮乏严重制约了研究人员在材料选择和器件设计时做出充分知情的决策。Flexfilm全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。

本研究采用光谱椭偏仪对19种关键 OLED 有机薄膜展开了全面光学表征。薄膜通过热蒸发沉积在石英玻璃和镀有 ITO 的玻璃两种基板上。研究首次报道了TAZ、PO-T2T和NBphen等材料的复折射率（n,k）色散数据与光学带隙（Eg）。结果表明，基板类型对薄膜的光学性质有显著影响，在某些材料（如NBphen）中诱导了各向异性行为，在另一些材料（如Spiro-OMeTAD和B3PymPm）中则导致了折射率梯度。这项工作为OLED材料的选择与器件光学设计提供了宝贵且全面的数据集。

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实验方法

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薄膜制备

本工作研究的OLED化合物的化学结构、缩写、分子式和化学名称

基板：使用石英玻璃与镀有SiO₂缓冲层和ITO的钠钙玻璃。

清洗：经过严格的溶剂超声清洗与UV-臭氧处理，以确保表面清洁。

沉积：所有薄膜在室温、高真空条件下，以优化的1Å/s速率通过热蒸发制备，以获得高质量、均匀的非晶或细晶薄膜。

测量与建模

测量：使用可变角度光谱椭偏仪在210–1690nm光谱范围及多个入射角下测量椭偏角（Ψ,Δ），并辅以透射光谱测量以提升数据精度。

建模：采用HJPS振子模型和有效介质近似分别拟合光学常数与表面粗糙度。通过测试单轴各向异性、表面粗糙度、界面层等多种模型，最终依据均方误差（MSE）最小化和物理一致性原则选择最优模型，确保了提取参数（n,k,Eg,厚度）的物理合理性与可靠性。

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实验结果与讨论

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OXD-7薄膜在(a)石英玻璃与(b)氧化铟锡基板上的Ψ、Δ和透射光谱随光子能量E的变化关系

所有化合物在632.8 nm处的折射率 n、直接光学带隙 Eg、表面粗糙度、薄膜厚度和均方误差（MSE）的汇总表

各向异性行为的发现

上： NBphen化合物在两种基板上的近似各向异性光学性质；下：(a)分子排列的3D视图，(b)有序薄膜的2D顶视图和侧视图，(c)标有非常光(ne, ke)和寻常光(no, ko)光学轴的分子取向，(d)具有“足够有序度”以致能被检测为各向异性的非晶薄膜的2D顶视图和侧视图

绝大多数材料（如TCTA，mCP，TAPC）表现为各向同性，这与其庞大、扭曲的分子结构抑制有序排列有关。

NBphen是唯一在两种基板上均表现出显著单轴各向异性的材料。其分子倾向于垂直站立在基板表面，导致非常光折射率（ne）大于寻常光折射率（no）。这种行为源于其本身平面刚性分子结构，而非由基板诱导。

基板的影响与光学梯度

(a) Spiro-OMeTAD在ITO基板上和 (b) B3PymPm薄膜在Qz和ITO基板上的折射率 n深度分布图（梯度在632.8 nm波长下显示，且存在于整个光谱范围内）

对于多数材料，在 Qz 和 ITO 上测得的n和k值非常接近；

然而，Spiro-OMeTAD在 ITO 上表现出明显的表面折射率梯度，这很可能源于沉积后暴露于空气导致的表面氧化；

B3PymPm的折射率梯度行为则因基板而异：在ITO上折射率从基板向表面递增，而在Qz上则递减。这被归因于两种基板表面能与极性的差异，影响了分子初始堆叠与生长过程中的致密化行为。

光学带隙与色散曲线

19种化合物的折射率 n（实线）和消光系数 k（虚线）随光子能量 E 变化的色散曲线

研究获得了所有19种材料在宽光谱范围内的完整（n,k）色散曲线。

结构相似的化合物（如CBP，mCP，mCBP）显示出相似但存在细微差别的色散峰，这些峰对应于分子结构中的 π-π* 电子跃迁。

本研究测得的光学带隙（Eg）和折射率（n）与多数文献报道吻合。与部分研究的差异可通过薄膜厚度、沉积速率、基板类型等实验条件的差异得到合理解释。

与文献差异的探讨

文献中OLED化合物数据的汇总，包括各向同性/各向异性、测量方法、在632.8 nm处的折射率 n、直接光学带隙 Eg、所使用的基板及参考文献

先前研究报道某些材料（如CBP，HAT-CN6）存在各向异性，而本研究在优化沉积条件下观察到各向同性。这突显了沉积参数（如速率、基板处理）对分子取向的关键影响，并可用自发取向极化理论来解释。

本研究通过对19种OLED有机薄膜的系统性光学表征，得出核心结论：器件的性能优化必须将材料的光学性质与具体的基板选择和沉积工艺紧密关联。研究首次提供了TAZ、PO-T2T和NBphen等关键材料的完整光学常数数据集，填补了文献空白。

结果明确揭示了基板对薄膜性质的深刻影响，包括诱导NBphen的各向异性、以及在Spiro-OMeTAD和B3PymPm中形成折射率梯度。虽然CBP、TPBi等大部分材料表现出良好的基板普适性与各向同性，但部分材料对界面条件的高度敏感性表明，要实现OLED器件的最优性能，必须针对敏感材料的分子取向和薄膜均匀性进行精确的工艺控制。

Flexfilm全光谱椭偏仪

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全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专门用于测量和分析光伏领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率n、消光系数k）

• 先进的旋转补偿器测量技术：无测量死角问题。
• 粗糙绒面纳米薄膜的高灵敏测量：先进的光能量增强技术，高信噪比的探测技术。
• 秒级的全光谱测量速度：全光谱测量典型5-10秒。
• 原子层量级的检测灵敏度：测量精度可达0.05nm。 

Flexfilm全光谱椭偏仪能非破坏、非接触地原位精确测量超薄图案化薄膜的厚度、折射率,结合费曼仪器全流程薄膜测量技术，助力半导体薄膜材料领域的高质量发展。

原文参考：《Comprehensive optical characterization of organic thin films for OLED applications via spectroscopic ellipsometry☆》

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