Μέρος Α: Προσομοίωση συσκευών OLED – συνεκτική οπτική λεπτών υμενίων

1. Επισκόπηση της προσομοίωσης OLED.

Οι οργανικές διόδοι εκπομπής φωτός (OLED) χρησιμοποιούνται ευρέως στις σύγχρονες τεχνολογίες οθονών και φωτισμού, και η απόδοσή τους καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τις συνδυασμένες ηλεκτρικές και οπτικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα εντός της συσκευής. Σε μια OLED, οι φορείς φορτίου εγχέονται από τα ηλεκτρόδια σε οργανικές λεπτές μεμβράνες, όπου η ακτινοβόλη εκπομπή παράγει φως μέσω ηλεκτροφωταύγειας. Στην OghmaNano, η προσομοίωση συσκευών OLED πραγματοποιείται συνδυάζοντας τη μοντελοποίηση μεταφοράς φορτίου με τη μέθοδο της διάχυσης-μετατόπισης με οπτικά μοντέλα, επιτρέποντας την ταυτόχρονη και συνεπή αντιμετώπιση της ροής ρεύματος και της παραγωγής φωτός.

Σε αυτό το εκπαιδευτικό υλικό, παρουσιάζουμε μια βήμα προς βήμα προσομοίωση μιας συσκευής OLED στο OghmaNano, χρησιμοποιώντας μια δομή με μία μόνο εκπεμπόμενη στρώση (single-EML). Η ηλεκτρική συμπεριφορά επιλύεται με αυτοσυνεπή τρόπο χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις μεταφοράς-διάχυσης, ενώ η οπτική απόκριση μοντελοποιείται χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της μεταφορικής μήτρας (TMM). Η μέθοδος της μεταφορικής μήτρας αντιμετωπίζει το φως ως μια συνεκτική κυματική μορφή και παρέχει μια αυστηρή οπτική περιγραφή λεπτών υμενίων για τη διάδοση, την ανάκλαση και την συμβολή εντός της πολυστρωματικής στοίβας OLED.

Αυτό το συνεκτικό οπτικό μοντέλο είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για ομαλές, επίπεδες δομές OLED, όπως οι λεπτές μεμβράνες που δημιουργούνται με εξάτμιση, όπου οι επιδράσεις των μικροκοιλοτήτων και οι παρεμβολές λεπτών μεμβρανών διαδραματίζουν κεντρικό ρόλο. Όταν συνδυάζεται με την ηλεκτρική προσομοίωση, το μοντέλο επιτρέπει τον άμεσο υπολογισμό των χαρακτηριστικών ρεύματος-τάσης, της εξωτερικής κβαντικής απόδοσης (EQE) που εξαρτάται από την τάση, των φασμάτων εκπομπής και των ποσοτήτων που σχετίζονται με το χρώμα, αποτυπώνοντας την ουσιαστική φυσική της ηλεκτρο-οπτικής σύζευξης στις OLED.

2. Δημιουργία μιας νέας προσομοίωσης.

Για να ξεκινήσετε, ανοίξτε το παράδειγμα προσομοίωσης OLED (TMM) κάνοντας διπλό κλικ σε αυτό στο παράθυρο "Νέα προσομοίωση". Αυτό φορτώνει την κύρια διεπαφή που εμφανίζεται στην εικόνα ??, όπου εμφανίζεται η στοίβα της συσκευής και τα σχετικά παράθυρα επεξεργασίας.

3. Διερεύνηση προσομοιώσεων που βασίζονται αποκλειστικά στην οπτική.

Μία από τις βασικές προκλήσεις στον σχεδιασμό των οθονών OLED είναι ο προσδιορισμός του ποσοστού του φωτός που παράγεται στο εσωτερικό της συσκευής και τελικά εκπέμπεται στο ελεύθερο χώρο. Ένα μεγάλο ποσοστό των φωτονίων παραμένει παγιδευμένο στην πολυεπίπεδη δομή ή απορροφάται πριν προλάβει να συμβάλει στην παραγωγή χρήσιμου φωτός. Η μέθοδος της μήτρας μεταφοράς (TMM) παρέχει ένα ποσοτικό πλαίσιο για την ανάλυση του τρόπου με τον οποίο η συμβολή μέσα στην λεπτή μεμβράνη αναδιανέμει την οπτική ισχύ και πώς οι αλλαγές στο πάχος ή στον δείκτη διάθλασης των στρώσεων επηρεάζουν το ποσοστό του φωτός που εκπέμπεται.

Για να αποκτήσετε πρόσβαση στα οπτικά εργαλεία, μεταβείτε στην καρτέλα "Οπτικά" (??) και κάντε κλικ στο κουμπί "Οπτική έξοδος". Αυτό ανοίγει το εργαλείο "Οπτική έξοδος", που εμφανίζεται στην εικόνα ??, όπου μπορούν να εκτελεστούν υπολογισμοί με τη μέθοδο της μεταφοράς μήτρας, ανεξάρτητα από τον ηλεκτρικό επιλυτή.

Για να ξεκινήσετε τον υπολογισμό, κάντε κλικ στο κουμπί "Αναπαραγωγή". Η προσομοίωση υπολογίζει την χωρική και φασματική κατανομή των εκπεμπόμενων φωτονίων εντός της στοίβας OLED. Το προκύπτον γράφημα, ??, εμφανίζει την πιθανότητα διαφυγής ως συνάρτηση του μήκους κύματος (κάθετος άξονας) και της θέσης εντός της συσκευής (οριζόντιος άξονας). Οι φωτεινές περιοχές υποδεικνύουν συνδυασμούς μήκους κύματος εκπομπής και βάθους όπου τα φωτόνια έχουν υψηλή πιθανότητα να διαφύγουν προς το εξωτερικό περιβάλλον, ενώ οι σκοτεινές περιοχές αντιστοιχούν στο φως που παραμένει παγιδευμένο εντός της δομής.

Οι εναλλασσόμενες ζώνες που φαίνονται σε αυτό το διάγραμμα προκύπτουν από την εποικοδομητική και καταστροφική συμβολή μεταξύ των οπτικών κυμάτων που διαδίδονται προς τα εμπρός και προς τα πίσω μέσα στην οπτική μικροκοιλότητα OLED. Αυτή η συμπεριφορά είναι άμεσα ανάλογη με τα πρότυπα σταθερών κυμάτων που παρατηρούνται σε μια δεξαμενή κυμάτων (??), όπου οι ανακλάσεις στα όρια προκαλούν την συμβολή των κυμάτων του νερού, δημιουργώντας περιοχές με αυξημένο και μειωμένο πλάτος κύματος. Στην OLED, η ίδια φυσική των κυμάτων καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο η οπτική ενέργεια αναδιανέμεται σε όλη τη στοίβα, δημιουργώντας το χαρακτηριστικό πρότυπο συμβολής που φαίνεται στον χάρτη πιθανότητας διαφυγής.

Αυτοί οι προσομοιωτές που χρησιμοποιούν μόνο οπτικές μεθόδους παρέχουν άμεση εικόνα για το πώς η πολυεπίπεδη μικροκοιλότητα διαμορφώνει την εκπομπή και προσφέρουν πρακτικές οδηγίες για τη βελτιστοποίηση του πάχους των στρώσεων και των μηκών κύματος εκπομπής, πριν από την πλήρη, συνδυασμένη ηλεκτρο-οπτική μοντελοποίηση.

3. Ηλεκτρικές προσομοιώσεις σε συνδυασμό με υπολογισμούς οπτικής μήτρας μεταφοράς.

Τώρα που έχετε εξερευνήσει την οπτική εξαγωγή φωτός με τη Μέθοδο της Μεταφοράς Πινάκων (TMM), μπορείτε να τη συνδυάσετε με τη μοντελοποίηση διάχυσης-μεταφοράς για να κατανοήσετε πώς μια OLED εκπέμπει φως ως συνάρτηση του ρεύματος και της τάσης. Σε αυτές τις συνδυασμένες προσομοιώσεις, το προφίλ ανασύνθεσης από τον υπολογισμό διάχυσης-μεταφοράς παρέχει την πηγή εκπομπής, η οποία στη συνέχεια συνδέεται με το οπτικό μοντέλο εξαγωγής φωτός. Η προσομοίωση πρώτα εκτελεί έναν υπολογισμό οπτικής εξαγωγής φωτός, όπως περιγράφεται παραπάνω, και στη συνέχεια εκτελεί μια τυπική ηλεκτρική προσομοίωση διάχυσης-μεταφοράς για να δημιουργήσει την απόκριση ρεύματος-τάσης (JV). Ο χρήστης θα πρέπει να επιστρέψει στην κύρια διεπαφή και να πατήσει το κουμπί Εκτέλεση προσομοίωσης (▶) για να ξεκινήσει τον πλήρη υπολογισμό. Τα αποτελέσματα της συνδυασμένης ηλεκτρο-οπτικής προσομοίωσης γράφονται στην καρτέλα Εξόδου και εμφανίζονται όπως φαίνεται στην ??.

Key files produced by the OLED simulation.

Όνομα αρχείου	Περιγραφή
iv.csv	Ένταση ρεύματος έναντι τάσης.
jv.csv	Πυκνότητα ρεύματος έναντι τάσης.
jl.csv	Πυκνότητα ρεύματος έναντι πυκνότητας οπτικής ισχύος εξόδου.
k.csv	Μέση τιμή της σταθεράς του ρυθμού ανασυνδυασμού σε σχέση με την τάση.
v_eqe.csv	Τάση έναντι εξωτερικής κβαντικής απόδοσης (EQE)
vl.csv	Τάση έναντι οπτικής ισχύος ανά μονάδα επιφάνειας.
v_cd_a.csv	Φωτεινή απόδοση (cd A−1) έναντι τάσης
v_cd_m2.csv	Φωτεινότητα (cd m−2) έναντι τάσης.
sweep/	Τιμές, π.χ. (κινητικότητα, CIE X/Y/Z, πυκνότητα φορέων έναντι τάσης)
Snapshots/	Λήψη στιγμιότυπων των παραμέτρων της ηλεκτρικής συσκευής σε κάθε βήμα της προσομοίωσης.

Η προσομοίωση δημιουργεί μια σειρά από αρχεία εξόδου, τα οποία αποθηκεύονται στην καρτέλα "Έξοδος". Αυτά τα αρχεία περιέχουν τα βασικά αριθμητικά αποτελέσματα της συνδυασμένης οπτικής και ηλεκτρικής προσομοίωσης OLED και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για περαιτέρω ανάλυση ή δημιουργία γραφημάτων. Τα σημαντικότερα αρχεία περιγράφονται παρακάτω στην ενότητα Πίνακας 7.1.

Τα κύρια χαρακτηριστικά απόδοσης της συνδυασμένης ηλεκτρικής-οπτικής προσομοίωσης OLED παρουσιάζονται στις εικόνες ??, ?? και ??. Η καμπύλη πυκνότητας ρεύματος-τάσης (jv.csv) απεικονίζει την ηλεκτρική συμπεριφορά ενεργοποίησης της συσκευής. Η καμπύλη τάσης-φωτεινότητας (v_cd_m2.csv) μετατρέπει την προσομοιωμένη οπτική έξοδο σε μονάδες σχετικές με την οθόνη (cd m−2), απεικονίζοντας πώς η φωτεινότητα αυξάνεται ραγδαία μόλις επιτευχθεί αποτελεσματική ανασυνδυασμός. Τέλος, η καμπύλη τάσης-EQE (v_eqe.csv) δείχνει την έναρξη της παραγωγής φωτός κατά την ενεργοποίηση και, σε αυτό το παράδειγμα, μια σχεδόν σταθερή απόδοση μόλις η συσκευή λειτουργεί στην ακτινοβόλο περιοχή της.

4. Πώς παράγεται το φως στη συσκευή;

Σε μια οθόνη OLED, το φως παράγεται μέσω της ακτινοβολικής ανασύνθεσης των ελεύθερων ηλεκτρονίων και των οπών εντός της εκπομπούσας στρώσης. Τα ηλεκτρόνια που εγχέονται από την κάθοδο και οι οπές που εγχέονται από την άνοδο μεταφέρονται μέσω της συσκευής μέχρι να επικαλύψουν οι χωρικές τους κατανομές, οπότε μπορεί να συμβεί ανασύνθεση και να εκπεμφθεί ένα φωτόνιο.

Η δομή των στρώσεων της συσκευής ορίζεται στον επεξεργαστή στρώσεων, όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Οι στρώσεις που συμμετέχουν στη μεταφορά και την ανασυνδυασμό φορτίου επισημαίνονται ρητά ως ηλεκτρικά ενεργές σε αυτόν τον επεξεργαστή, ενώ οι επαφές και οι οπτικά παθητικές στρώσεις εξαιρούνται από την ηλεκτρική ανάλυση. Στην παρούσα συσκευή, μόνο η κεντρική στρώση Alq3 έχει ρυθμιστεί ως εκπομπός, διασφαλίζοντας ότι η ακτινοβολική ανασυνδυασμό περιορίζεται σε αυτήν την περιοχή.

Ο τοπικός ρυθμός ακτινοβολιακής ανασύνθεσης είναι ανάλογος με το γινόμενο των πυκνοτήτων των ελεύθερων φορέων και εκφράζεται ως εξής:

\( R = k \left( n p - n_{\mathrm{eq}} p_{\mathrm{eq}} \right) \)

Εδώ, τα \(n\) και \(p\) συμβολίζουν, αντίστοιχα, τις πυκνότητες των ελεύθερων ηλεκτρονίων και των οπών, και το \(k\) είναι ο συντελεστής ακτινοβολιακής ανασύνθεσης. Αυτή η έκφραση διασφαλίζει ότι η ανασύνθεση μηδενίζεται στην ισορροπία και αυξάνεται καθώς η έγχυση φορέων απομακρύνει το σύστημα από την ισορροπία υπό την επίδραση μιας εφαρμοσμένης τάσης.

Οι ηλεκτρικές παράμετροι που καθορίζουν τη μεταφορά και την ανασυνδυασμό φορτίου ορίζονται στον Επεξεργαστή ηλεκτρικών παραμέτρων, στον οποίο μπορείτε να αποκτήσετε πρόσβαση από την καρτέλα «Συσκευή» στο κύριο παράθυρο. Οι παράμετροι που χρησιμοποιούνται για την παρούσα συσκευή εμφανίζονται στις εικόνες ??, ?? και ??, οι οποίες αντιστοιχούν στην στρώση μεταφοράς οπών (HTL), στην εκπεμπτική στρώση (EML) και στην στρώση μεταφοράς ηλεκτρονίων (ETL), αντίστοιχα.

Αυτές οι τιμές καθορίζουν τις κινητικότητες των φορέων, τις αποτελεσματικές πυκνότητες των ενεργειακών επιπέδων, τις ηλεκτροστατικές παραμέτρους και τις σταθερές ανασύνθεσης που χρησιμοποιούνται στις εξισώσεις μεταφοράς-διάχυσης. Σε αυτό το παράδειγμα, η ακτινοβολιακή ανασύνθεση ενεργοποιείται μόνο στην εκπεμπτική στρώση Alq3, ενώ οι στρώσεις μεταφοράς χρησιμοποιούνται κυρίως για την έγχυση και τον περιορισμό των φορέων φόρτισης. Συνολικά, αυτές οι παράμετροι ελέγχουν πού συσσωρεύονται οι φορείς, πού συμβαίνει η ανασύνθεση και, τελικά, την χωρική κατανομή της παραγωγής φωτός εντός της συσκευής.

Κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης, το OghmaNano δημιουργεί αυτόματα έναν φάκελο με το όνομα "snapshots" στον φάκελο εξόδου (δείτε ??). Ο φάκελος "snapshots" περιέχει ηλεκτρικές και οπτικές ποσότητες που καταγράφονται σε κάθε βήμα της προσομοίωσης, οι οποίες, σε αυτό το παράδειγμα, αντιστοιχούν στην εφαρμοσμένη τάση. Εκτός από τις εξόδους σε επίπεδο συσκευής, τα "snapshots" περιλαμβάνουν χωρικά επιλυμένες εσωτερικές μεταβλητές του επιλυτή ως συνάρτηση της θέσης εντός της συσκευής, όπως τα επίπεδα quasi-Fermi και οι πυκνότητες ελεύθερων φορέων. Καταγράφονται επίσης παράγωγες ποσότητες και παρατηρήσιμες έξοδοι, συμπεριλαμβανομένης της εξωτερικής κβαντικής απόδοσης (EQE), επιτρέποντας την συνεπή εξέταση τόσο της εσωτερικής φυσικής της συσκευής όσο και των εξωτερικά μετρήσιμων ποσοτήτων.

Ανοίξτε τον φάκελο των στιγμιότυπων κάνοντας διπλό κλικ σε αυτόν, για να ξεκινήσετε την εφαρμογή προβολής των στιγμιότυπων. Αυτό θα ανοίξει το παράθυρο που φαίνεται στην εικόνα ??. Χρησιμοποιώντας το μπλε κουμπί "+", προσθέστε μια νέα γραμμή γραφήματος και επιλέξτε το αντίστοιχο αρχείο (για παράδειγμα, Q_nfree.csv, Q_pfree.csv ή R_nfree_to_pfree.csv). Καθώς ο ρυθμιστής μετακινείται από αριστερά προς τα δεξιά, η ποσότητα που απεικονίζεται ενημερώνεται για κάθε βήμα της προσομοίωσης, επιτρέποντας την παρακολούθηση της εξέλιξης των πυκνοτήτων φορέων και της ανασύνθεσης ως συνάρτηση της εφαρμοσμένης τάσης.

Σε χαμηλή εφαρμοσμένη τάση, τα προφίλ της πυκνότητας των ελεύθερων ηλεκτρονίων και των οπών απεικονίζονται στο ??Καθώς αυξάνεται η τάση, τα αντίστοιχα προφίλ εξελίσσονται σε αυτά που φαίνονται στο ??Ως εκ τούτου, οι χωρικές κατανομές των ηλεκτρονίων και των οπών είναι σημαντικά διαφορετικές σε χαμηλή και υψηλή τάση, γεγονός που επηρεάζει το σημείο όπου (και την ένταση με την οποία) επικαλύπτονται οι φορείς στο στρώμα εκπομπής.

Τα αντίστοιχα προφίλ ανασύνθεσης από ελεύθερο προς ελεύθερο παρουσιάζονται στις εικόνες ?? (χαμηλή τάση) και ?? (υψηλή τάση). Καθώς αυξάνεται η τάση πόλωσης, η ζώνη ανασύνθεσης μετατοπίζεται σημαντικά και γίνεται πιο τοπική, υποδεικνύοντας ότι η κυρίαρχη περιοχή παραγωγής φωτός έχει μετακινηθεί εντός της συσκευής.

5. Μετατροπή του ρυθμού ανασυνδυασμού σε φάσμα εκπομπής.

Στην προηγούμενη ενότητα, είδαμε ότι οι πυκνότητες των ελεύθερων ηλεκτρονίων και των οπών εντός της συσκευής αλλάζουν σημαντικά ως συνάρτηση της εφαρμοσμένης τάσης. Καθώς η εφαρμοσμένη τάση αυξάνεται, οι αλλαγές στην έγχυση και τη μεταφορά φορέων φορτίου τροποποιούν τη χωρική επικάλυψη των ηλεκτρονίων και των οπών, προκαλώντας αύξηση του ρυθμού ανασύνθεσης και μετατόπιση της ζώνης ανασύνθεσης εντός της συσκευής. Αυτό φυσικά εγείρει το ερώτημα σχετικά με το πώς ένας χωρικά μεταβαλλόμενος ρυθμός ανασύνθεσης μετατρέπεται σε ένα εκπεμπόμενο οπτικό φάσμα εντός του μοντέλου.

Στην OghmaNano, ένας από τους τρόπους με τους οποίους επιτυγχάνεται αυτό είναι μέσω της χρήσης ενός πειραματικά μετρημένου φάσματος εκπομπής, το οποίο ορίζεται στο βάση δεδομένων υλικών Το φάσμα εκπομπής του υλικού που εκπέμπει φως απεικονίζεται στο ??Αυτό το φάσμα ορίζει την κατανομή των μηκών κύματος των φωτονίων που παράγονται μέσω ακτινοβολιακής ανασυνδυασμού, πριν εφαρμοστούν οι επιδράσεις της οπτικής κοιλότητας και η εξόρυξη φωτός, και έχει μετρηθεί πειραματικά.

Το φάσμα εκπομπής που χρησιμοποιείται από τη συσκευή επιλέγεται στον Επεξεργαστή Φωταύγειας, ο οποίος εμφανίζεται στην εικόνα ?? και είναι προσβάσιμος από τις παραμέτρους εκπομπής στην καρτέλα δομής της συσκευής στο κύριο παράθυρο. Σε αυτό το παράδειγμα, το φάσμα εκπομπής έχει οριστεί στο small_molecules/Alq3, το οποίο αντιστοιχεί στο πειραματικά μετρημένο φάσμα εκπομπής του Alq3. Το κουμπί με τις τρεις τελείες δίπλα στη διαδρομή του υλικού επιτρέπει την αλλαγή του υλικού που εκπέμπει φως.

Στον επεξεργαστή φωταύγειας εμφανίζεται επίσης η πειραματική απόδοση εκπομπής. Στο παρόν παράδειγμα, αυτή η τιμή έχει οριστεί σε 0,25, πράγμα που σημαίνει ότι μόνο το 25 τοις εκατό των γεγονότων ανασύνθεσης ηλεκτρονίων-οπών οδηγεί σε εκπομπή φωτονίων. Αυτό αντικατοπτρίζει τις στατιστικές ιδιότητες σπιν των ηλεκτρικά παραγόμενων εκσιτόνων στις φθορίζουσες OLED, όπου μόνο τα εκσιτόνια μονής κατάστασης είναι ικανά να εκπέμψουν φως.

Υπό ηλεκτρική διέγερση, η ανασύνθεση παράγει μονή και τριπλή διεγερμένη κατάσταση σε αναλογία 1:3, έτσι ώστε μόνο το ένα τέταρτο των γεγονότων ανασύνθεσης να δημιουργεί ακτινοβολούμενες μονές καταστάσεις, ενώ οι υπόλοιπες τριπλές καταστάσεις δεν ακτινοβολούν. Ως αποτέλεσμα, ακόμη και στην απουσία οπτικών ή ηλεκτρικών απωλειών, η εσωτερική κβαντική απόδοση περιορίζεται θεμελιωδώς στο 25% σε αυτό το μοντέλο. Αυτός είναι ο κύριος λόγος για τον οποίο η EQE και η EQE που μετράται σε συγκεκριμένα σημεία στην συγκεκριμένη συσκευή παραμένουν σχετικά χαμηλές.

Στο οπτικό μοντέλο, ο τοπικός ρυθμός ακτινοβολιακής ανασύνθεσης καθορίζει πόσα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών ανασυντίθενται, ενώ η απόδοση εκπομπής ελέγχει ποιο κλάσμα αυτών των γεγονότων παράγει φωτόνια. Ο προκύπτων ρυθμός παραγωγής φωτονίων στη συνέχεια κατανέμεται στο μήκος κύματος σύμφωνα με το επιλεγμένο φάσμα εκπομπής του υλικού.

\( I(\lambda) = \eta \, R \, S(\lambda) \)

Εδώ, το \(R\) είναι ο τοπικός ρυθμός ακτινοβολιακής ανασυνδυασμού που προκύπτει από τον επιλυτή διάχυσης-μεταφοράς, το \(\eta\) είναι η απόδοση εκπομπής (ορίζεται σε 0,25 σε αυτό το παράδειγμα για να λαμβάνει υπόψη τον σχηματισμό μονοπλετών) και το \(S(\lambda)\) είναι το κανονικοποιημένο φάσμα εκπομπής που είναι αποθηκευμένο στη βάση δεδομένων υλικών.

Πιο εξελιγμένα μοντέλα OLED μπορούν να επεξεργαστούν ρητά πολλαπλούς πληθυσμούς διεγερμένων καταστάσεων, συμπεριλαμβανομένων διακριτών μονοπλετικών και τριπλετικών ειδών στο εκπεμπόμενο υλικό και μιας περιγραφής της παραγωγής φωτός μέσω εξισώσεων ρυθμού φωτονίων. Αυτά τα μοντέλα προορίζονται κυρίως για ερευνητική χρήση, όπου η λεπτομερής δυναμική των διεγερμένων καταστάσεων είναι σημαντική, και όχι για τη συνήθη βελτιστοποίηση της συσκευής. Η εφαρμογή αυτών των μοντέλων διεγερμένων καταστάσεων στο OghmaNano περιγράφεται στο Διεγερμένες καταστάσεις και διαδικασίες εκπομπής.

6. Μελέτη της φωτεινότητας, της απόδοσης φωτονικής ισχύς (EQE) και του χρώματος ως συνάρτηση της τάσης.

Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα πολλών OLED είναι ότι το χρώμα που εκπέμπουν αλλάζει ανάλογα με την εφαρμοσμένη τάση, ακόμη και όταν το εκπεμπόμενο υλικό παραμένει το ίδιο. Καθώς αυξάνεται η τάση, η εισαγωγή φορέων φορτίου αλλάζει τη χωρική επικάλυψη των ηλεκτρονίων και των οπών, με αποτέλεσμα η ζώνη ανασύνθεσης να μετατοπίζεται μέσα στη συσκευή. Επειδή η στοίβα OLED λειτουργεί ως οπτική κοιλότητα, διαφορετικές θέσεις μέσα στην κοιλότητα ευνοούν την εξαγωγή διαφορετικών μηκών κύματος. Η ανασύνθεση που συμβαίνει πιο κοντά σε μια διεπιφάνεια μπορεί να ευνοεί την εξαγωγή μικρότερων μηκών κύματος, ενώ η ανασύνθεση σε άλλα σημεία μπορεί να ευνοεί μεγαλύτερα μήκη κύματος. Καθώς η ζώνη ανασύνθεσης μετακινείται με την τάση, η κοιλότητα επιλέγει επομένως διαφορετικά τμήματα του φάσματος εκπομπής, οδηγώντας άμεσα σε μια μετατόπιση του χρώματος που εξαρτάται από την τάση.

Σε μια καλά σχεδιασμένη OLED, το χρώμα που εκπέμπεται αλλάζει ελάχιστα με την εφαρμοζόμενη τάση. Αυτό επιτυγχάνεται διατηρώντας την περιοχή ανασύνθεσης περιορισμένη σε μια περιοχή της οπτικής κοιλότητας όπου η εξάρτηση της εξόδου από το μήκος κύματος μεταβάλλεται αργά με τη θέση. Στην πράξη, αυτό συχνά σημαίνει ότι η εκπεμπόμενη περιοχή σχεδιάζεται ώστε να είναι σχετικά λεπτή, έτσι ώστε ακόμη και αν το προφίλ ανασύνθεσης μετατοπιστεί ελαφρώς με την εφαρμοζόμενη τάση, η κοιλότητα επιλέγει σχεδόν τα ίδια μήκη κύματος.

Σε αυτό το παράδειγμα, απομακρυνόμαστε σκόπιμα από αυτό το βελτιστοποιημένο καθεστώς, προκειμένου να καταστήσουμε πιο εμφανή τις υποκείμενες φυσικές αρχές. Αυξάνοντας το πάχος της εκπεμπόμενης στρώσης Alq3 σε 100 nm στον Επεξεργαστή Στρώσεων (δείτε ??), δημιουργούμε μια μεγαλύτερη περιοχή στην οποία μπορεί να συμβεί ανασύνθεση. Αυτό επιτρέπει την ανάπτυξη σαφών, εξαρτώμενων από την τάση, μετατοπίσεων στην ζώνη ανασύνθεσης, καθιστώντας ευκολότερη την παρατήρηση του τρόπου με τον οποίο οι αλλαγές στην έγχυση και τη μεταφορά φορέων μεταφράζονται σε αλλαγές στην οπτική απόκριση της κοιλότητας.

Αφού ενημερώσετε το πάχος της εκπεμπόμενης στρώσης, εκτελέστε ξανά την προσομοίωση. Χρησιμοποιήστε τώρα το εργαλείο στιγμιότυπου για να σχεδιάσετε το eqe.csv και προσθέστε το χρησιμοποιώντας το κουμπί "+". Το διάγραμμα δείχνει την EQE ως συνάρτηση του μήκους κύματος για το τρέχον επιλεγμένο βήμα τάσης. Μετακινώντας το ρυθμιστικό σε όλο το εύρος τάσης, μπορείτε να παρατηρήσετε πώς το φάσμα EQE αλλάζει καθώς η ζώνη ανασύνθεσης μετακινείται μέσα στην κοιλότητα και διαφορετικά μήκη κύματος εξάγονται με διαφορετικές αποδόσεις.

Η ίδια διαδικασία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση του φάσματος εκπομπής φωτός που εξαρτάται από την τάση. Προσθέστε μια γραμμή στο γράφημα για το luminescence_lambda.csv και μετακινήστε το ρυθμιστικό για να δείτε πώς εξελίσσεται το φάσμα εκπομπής με την αλλαγή της τάσης (δείτε ?? και ??). Το χρώμα που χρησιμοποιείται για την απεικόνιση του φάσματος αντιστοιχεί στο αντιληπτό χρώμα εξόδου που θα έβλεπε ένας παρατηρητής σε αυτό το σημείο λειτουργίας. Καθώς αυξάνεται η τάση, αυτό είναι άμεσα ορατό στο γράφημα, καθώς το απεικονιζόμενο φάσμα μετατοπίζεται από ένα πιο ανοιχτό μπλε χρώμα σε χαμηλές τάσεις σε ένα πιο σκούρο μπλε χρώμα σε υψηλότερες τάσεις, υποδεικνύοντας μια αλλαγή στο εκπεμπόμενο χρώμα.

Τέλος, χρησιμοποιήστε την ίδια διαδικασία δημιουργίας στιγμιότυπων για να εξετάσετε ρητά το φάσμα EQE. Εμφανίστε το eqe.csv και μετακινήστε το ρυθμιστικό τάσης για να παρατηρήσετε πώς το φάσμα EQE, που εξαρτάται από το μήκος κύματος, αλλάζει με την τάση (δείτε το ??). Στην πράξη, το φάσμα εκπομπής και το φάσμα EQE θα πρέπει να ερμηνεύονται μαζί: το διάγραμμα εκπομπής δείχνει τι εκπέμπεται, ενώ το διάγραμμα EQE δείχνει πόσο αποτελεσματικά κάθε μήκος κύματος εξάγεται σε κάθε σημείο λειτουργίας.

7. Χρωματικός χώρος CIE

Τα φάσματα OLED συχνά απλοποιούνται σε ένα μικρό σύνολο αντιληπτικών χρωματικών συντεταγμένων, ώστε να μπορεί να αξιολογηθεί η χρωματική σταθερότητα ως συνάρτηση της τάσης πόλωσης. Η πιο κοινή αναπαράσταση είναι το σύστημα CIE 1931, όπου ένα φάσμα μετατρέπεται πρώτα σε τιμές τρισδιέγερσης \((X,Y,Z)\) χρησιμοποιώντας τις συναρτήσεις αντιστοίχισης χρωμάτων CIE και στη συνέχεια κανονικοποιείται σε χρωματικές συντεταγμένες \((x,y)\).

Δεδομένης μιας φασματικής κατανομής ισχύος \(P(\lambda)\) (για παράδειγμα, της εκπεμπόμενης οπτικής ισχύος ανά μονάδα μήκους κύματος), οι τιμές τριδιέγερσης CIE υπολογίζονται με τη σταθμισμένη επίδραση \(P(\lambda)\) στις συναρτήσεις αντιστοίχισης χρωμάτων \(\overline{x}(\lambda)\), \(\overline{y}(\lambda)\) και \(\overline{z}(\lambda)\):

\[ X = k \int_{\lambda_1}^{\lambda_2} P(\lambda)\,\overline{x}(\lambda)\,d\lambda,\qquad Y = k \int_{\lambda_1}^{\lambda_2} P(\lambda)\,\overline{y}(\lambda)\,d\lambda,\qquad Z = k \int_{\lambda_1}^{\lambda_2} P(\lambda)\,\overline{z}(\lambda)\,d\lambda \]

Εδώ, τα \(\overline{x}(\lambda)\), \(\overline{y}(\lambda)\) και \(\overline{z}(\lambda)\) περιγράφουν την τυποποιημένη φασματική ευαισθησία της ανθρώπινης όρασης, και η σταθερά \(k\) είναι ένας γενικός παράγοντας κλιμάκωσης (η συγκεκριμένη τιμή της εξαρτάται από τον τρόπο με τον οποίο ορίζεται το \(P(\lambda)\) και από το αν εφαρμόζεται απόλυτη φωτομετρική βαθμονόμηση). Οι αντίστοιχες χρωματικές συντεταγμένες στη συνέχεια λαμβάνονται μέσω κανονικοποίησης:

\( x=\dfrac{X}{X+Y+Z}, \qquad y=\dfrac{Y}{X+Y+Z} \)

Οι συντεταγμένες \((x,y)\) αντιπροσωπεύουν τη χρωματικότητα (απόχρωση/κορεσμός), η οποία είναι σε μεγάλο βαθμό ανεξάρτητη από την απόλυτη φωτεινότητα, κάτι που είναι χρήσιμο για να διαχωριστεί το «πόσο φωτεινή» είναι η OLED από το «ποιο χρώμα» φαίνεται να έχει. Στο OghmaNano, οι τιμές CIE υπολογίζονται από το προσομοιωμένο φάσμα εκπομπής σε κάθε βήμα τάσης και γράφονται στην έξοδο της σάρωσης, ώστε η χρωματική απόκλιση να μπορεί να απεικονιστεί απευθείας σε σχέση με το ηλεκτρικό σημείο λειτουργίας. Για να δείτε αυτά τα αρχεία σάρωσης, κάντε διπλό κλικ στον φάκελο sweep/ στην καρτέλα «Έξοδος» για να ανοίξετε το πρόγραμμα προβολής σάρωσης (??).

Τα διαγράμματα που παρουσιάζονται παραπάνω δείχνουν πώς εξελίσσεται η προσομοιωμένη χρωματικότητα κατά τη διάρκεια της μεταβολής της τάσης. Οι επιμέρους καμπύλες \(x(V)\) και \(y(V)\) (?? και ??) ποσοτικοποιούν την απόκλιση του χρώματος ως συνάρτηση του σημείου λειτουργίας, ενώ το διάγραμμα \(y(x)\) (??) παρουσιάζει τις ίδιες πληροφορίες ως μια διαδρομή στον χρωματικό χώρο.

In this example, the chromaticity moves systematically with increasing bias and then approaches a steady value at higher voltage. Physically, this typically reflects a change in the effective emitted spectrum with voltage (for example, due to a shift in the recombination zone within the optical cavity, or voltage-dependent spectral weighting from the outcoupling response). In well-optimised OLED stacks the corresponding \((x,y)\) drift is small;

8. Επικοινωνία

Σε αυτή την προσομοίωση, η OLED αντιμετωπίζεται ως μια καλά σχεδιασμένη συσκευή με αποδοτικές και εκλεκτικές ηλεκτρικές επαφές. Οι οριακές συνθήκες της επαφής ορίζονται χρησιμοποιώντας τον Επεξεργαστή Επαφών, που εμφανίζεται στην εικόνα ?? και στον οποίο γίνεται πρόσβαση από την καρτέλα "Δομή Συσκευής" στο κύριο παράθυρο.

Η ανώτερη επαφή, μέσω της οποίας εισάγονται οι οπές, και η κατώτερη επαφή, μέσω της οποίας εισάγονται τα ηλεκτρόνια, μοντελοποιούνται και οι δύο ως ωμικές για τους αντίστοιχους φορείς πλειονότητας. Αυτό σημαίνει ότι οι φορείς φορτίου μπορούν να εισέλθουν και να εξέλθουν από τη συσκευή χωρίς φράγμα εισαγωγής, έτσι ώστε η ροή του ρεύματος να μην περιορίζεται από τις επαφές, αλλά από τη μεταφορά και την ανασυνδυασμό εντός των ίδιων των οργανικών στρωμάτων.

Οι φορείς μειονοτήτων εμποδίζονται σε κάθε ηλεκτρόδιο: τα ηλεκτρόνια εμποδίζονται στην επαφή που εγχέει οπές και οι οπές εμποδίζονται στην επαφή που εγχέει ηλεκτρόνια. Αυτό επιβάλλει την εκλεκτικότητα των φορέων και καταστέλλει τα ρεύματα διαρροής, διασφαλίζοντας ότι τα ηλεκτρόνια και οι οπές περιορίζονται στις προβλεπόμενες διαδρομές μεταφοράς και ανασυνδυάζονται στο εσωτερικό της συσκευής.

Με αυτή τη διαμόρφωση επαφής, η προσομοίωση λειτουργεί σε ένα καθεστώς όπου ο περιοριστικός παράγοντας είναι η μάζα, το οποίο είναι κατάλληλο για μια OLED υψηλής ποιότητας. Ως εκ τούτου, η ηλεκτρική απόκριση καθορίζεται από τη μεταφορά φορέων, τη χωρική επικάλυψη και τη ραδιενεργή ανασυνδυασμό στην εκπεμπτική στρώση, επιτρέποντας την άμεση εξέταση της εσωτερικής φυσικής της συσκευής και της αλληλεπίδρασής της με την οπτική κοιλότητα.