Μέρος Β: Προσομοίωση OLED με χρήση τεχνικής ακτινογράφησης.

🎯 Μαθησιακοί στόχοι

Δημιουργήστε και εκτελέστε μια προσομοίωση OLED χρησιμοποιώντας το οπτικό μοντέλο ανίχνευσης ακτίνων.
Συγκρίνετε την ακτινογραφική μέθοδο με τη μέθοδο της μήτρας μεταφοράς και κατανοήστε τα πλεονεκτήματα της ανάλυσης που εξαρτάται από τη γωνία.
Ερμηνεύστε τα συνδυασμένα ηλεκτρικά και οπτικά σήματα εξόδου, συμπεριλαμβανομένων των καμπυλών L–I–V και της σχέσης τάσης–φωτεινής ροής.
Αναλύστε την εκπομπή ανάλογα με τη γωνία χρησιμοποιώντας τις τιμές RGB και τα φάσματα CIE 1931 x, y, z (X, Y, Z).
Ρυθμίστε τα φάσματα εκπομπής (πειραματικά έναντι υπολογισμένων) και τις παραμέτρους της ακτινοβολίας (εύρος θ/φ, θέσεις εκπομπής).

📦 Προαπαιτούμενα

Το OghmaNano εγκαταστάθηκε και λειτουργεί.
Βασική εξοικείωση με τις βασικές αρχές των OLED (EML/HTL/ETL, ηλεκτροφωταύγεια).

⏱ Εκτιμώμενος χρόνος

Μέρος Α: 10–15 λεπτά
Μέρος Β: 10–15 λεπτά
Συνολικός χρόνος: Περίπου 1 ώρα, ανάλογα με το πόσο θα εξερευνήσετε την περιοχή.

1. Εισαγωγή

Στην προηγούμενη ενότητα, χρησιμοποιήσαμε τη μέθοδο της μήτρας μεταφοράς (TMM) για να υπολογίσουμε την πιθανότητα διαφυγής των φωτονίων από τη συσκευή. Η TMM αντιμετωπίζει το φως ως κύμα, αποτυπώνοντας με φυσικό τρόπο τις πολλαπλές ανακλάσεις στις διεπαφές των στρώσεων και την επακόλουθη συμβολή μέσα στην λεπτή μεμβράνη.

Σε αυτή την ενότητα, υιοθετούμε μια συμπληρωματική προσέγγιση: την ακτινογραφία. Εδώ, το φως αντιμετωπίζεται ως σωματίδια (ακτίνες), μια προσέγγιση που χρησιμοποιείται ευρέως στα γραφικά υπολογιστών. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα είναι η ρητή εξάρτηση από τη γωνία: μπορούμε να παρακολουθήσουμε πώς οι ακτίνες διαθλώνται και ανακλώνται καθώς εξέρχονται από τη συσκευή και, ως εκ τούτου, να προβλέψουμε τη συμπεριφορά ως προς τη γωνία—όπως το χρώμα (φάσμα) που παρατηρείται ως συνάρτηση της γωνίας θέασης—η οποία αποτελεί το επίκεντρο αυτής της ενότητας.

2. Γρήγορη εκκίνηση – ανίχνευση ακτίνων

Για να δημιουργήσετε μια νέα προσομοίωση ακτινικής ανίχνευσης OLED, ανοίξτε το παράθυρο "Νέα προσομοίωση" και κάντε διπλό κλικ στην επιλογή "OLED (Ακτινική ανίχνευση)" (δείτε ??). Αποθηκεύστε το νέο έργο στον δίσκο. Αφού ανοίξει, θα δείτε την κύρια διεπαφή OLED (??), η οποία είναι παρόμοια με το προηγούμενο παράδειγμα, αλλά με την ακτινική ανίχνευση ενεργοποιημένη ως οπτικό μοντέλο.

New simulation window showing the option to create an OLED (Ray Trace) project. — Το νέο παράθυρο προσομοίωσης εμφανίζει την επιλογή δημιουργίας ενός έργου OLED (με ακτίνες).

Default OLED simulation window with ray tracing enabled. — Το προεπιλεγμένο παράθυρο προσομοίωσης OLED που ανοίγει όταν είναι ενεργοποιημένη η λειτουργία ray tracing.

Στην κύρια διεπαφή, μεταβείτε στην οπτική κορδέλα (??) και κάντε κλικ στην επιλογή "Οπτική έξοδος", όπως και στην προηγούμενη προσομοίωση. Αυτό ανοίγει το παράθυρο εξόδου (δείτε ??). Παρατηρήστε ότι αυτή τη φορά, το κουμπί "Ιχνηλάτηση ακτίνων" είναι επιλεγμένο στην κύρια διεπαφή, αντί για το κουμπί "Μετατροπή μήτρας". Κάνοντας κλικ στο κουμπί "Εκτέλεση οπτικής προσομοίωσης" (▶), θα ξεκινήσει ο ιχνηλάτης ακτίνων, ο οποίος διαδίδει τις ακτίνες από κάθε σημείο του πλέγματος εντός της ενεργού στρώσης, για να υπολογίσει την πιθανότητα διαφυγής των φωτονίων από τη συσκευή σε κάθε θέση.

OghmaNano Optical ribbon showing tools for light-source setup, transfer matrix calculations, optical outcoupling, ray-tracing editor, FDTD simulation, mode calculator, optical thickness, optical mesh, and boundary conditions. — Η οπτική κορδέλα στο OghmaNano. Αυτή η εργαλειοθήκη ομαδοποιεί όλα τα εργαλεία οπτικής μοντελοποίησης. Κάντε κλικ στην επιλογή "Οπτική εξαγωγή" για να εκκινήσετε το εργαλείο ανάλυσης εξαγωγής φωτός.

Outcoupling calculated using the ray tracing method. — Η απόδοση εξαγωγής υπολογίζεται με τη μέθοδο της ιχνηλάτησης ακτίνων.

Αυτό θα διαρκέσει πολύ περισσότερο από τις προσομοιώσεις TMM λόγω της αυξημένης πολυπλοκότητας. Επίσης, οι προσομοιώσεις θα υπολογίζουν μόνο την πιθανότητα διαφυγής για την ενεργή περιοχή, προκειμένου να εξοικονομηθεί χρόνος. Σημειώστε ότι η απόδοση εξόδου για την ανίχνευση ακτίνων είναι χαμηλότερη από αυτή που προβλέπεται από τη μέθοδο της μήτρας μεταφοράς, καθώς η μέθοδος της μήτρας μεταφοράς υποθέτει διάδοση κάθετη στις διεπαφές, ενώ η ανίχνευση ακτίνων επιτρέπει στις ακτίνες να κινούνται προς όλες τις κατευθύνσεις, με ορισμένες από αυτές να μην εγκαταλείπουν ποτέ τη συσκευή.

3. Ηλεκτρικές προσομοιώσεις σε συνδυασμό με την τεχνική της ανίχνευσης ακτίνων.

Επιστρέψτε τώρα στο κύριο παράθυρο της προσομοίωσης και πατήστε το μπλε, παίξε κουμπί (ή πάτημα) 9) για να εκτελέσει την κύρια προσομοίωση. Κατά την εκτέλεση, αρχικά πραγματοποιείται η ιχνηλάτης ακτίνων και στη συνέχεια διασπορά-εκπομπή ο επιλυτής. Ο αλγόριθμος ιχνηλάτησης ακτίνων υπολογίζει την πιθανότητα τα φωτόνια που παράγονται στην ενεργό περιοχή να διαφύγουν από τη συσκευή, και επίσης καθορίζει την κατανομή της γωνίας εκπομπής (άρα και ποια χρώματα είναι ορατά σε ποιες γωνίες). Στη συνέχεια, ο επιλυτής μεταφοράς-διάχυσης υπολογίζει την ένταση του εκπεμπόμενου φωτός, αξιολογώντας τον όρο ανασύνθεσης, ο οποίος αντιπροσωπεύει τον ρυθμό ακτινοβολίας. Η προκύπτουσα εικόνα ιχνηλάτησης ακτίνων εμφανίζεται στο Εικόνα 5και το αντίστοιχο γράφημα της σχέσης τάσης-φωτεινής απόδοσηςlv.csv(, ένταση φωτός έναντι τάσης) απεικονίζεται στο Εικόνα 6.

OghmaNano Optical ribbon with Ray tracing selected: a 3D OLED stack is shown with multicolored rays launched from the emissive layer and refracting or trapping at interfaces after a drift–diffusion run. — Το κύριο παράθυρο του OghmaNano μετά από μια συνδυασμένη προσομοίωση: ο επιλυτής διάχυσης-μετατόπισης παρέχει το χωρικό προφίλ ανασυνδυασμού (εκπεμπτική πηγή), και η οπτική μηχανή ανίχνευσης ακτίνων διαδίδει τις ακτίνες μέσω της πολυεπίπεδης OLED, καταγράφοντας τις απώλειες εξόδου, την ολική εσωτερική ανάκλαση και τις απώλειες οδήγησης κυμάτων.

Graph titled 'Voltage – Light flux': light output remains near zero below turn-on then rises sharply with increasing applied voltage. — Καμπύλη τάσης-εκπομπής φωτός από τη συνδυασμένη ηλεκτρο-οπτική διαδικασία. Κάτω από την τάση έναυσης, η εκπεμπόμενη ροή είναι αμελητέα· μόλις αυξηθεί η έγχυση φορέων και η ακτινοβολική ανασυνδυασμός, η εξωτραβούμενη οπτική ισχύς αυξάνεται απότομα με την τάση.

3. Βασικά αποτελέσματα

Εάν εξετάσετε τα αποτελέσματα της συνδυασμένης προσομοίωσης ακτινικής ανίχνευσης και διάχυσης-μεταφοράς (??), θα διαπιστώσετε ότι πολλά από τα αρχεία ταιριάζουν με αυτά που περιγράφονται στην προηγούμενη ενότητα (μεθόδου μεταφοράς μήτρας). Η σημαντική προσθήκη είναι ότι η ακτινική ανίχνευση παράγει ένα προφίλ εκπομπής που εξαρτάται από τη γωνία, επομένως το OghmaNano καταγράφει επίσης δεδομένα χρώματος που εξαρτώνται από τη γωνία: το συνολικό RGB σε σχέση με τη γωνία θέασης (theta_RGB.csv) και οι συνιστώσες CIE 1931 x, y, z και τα τρισχρωματικά X, Y, Z σε σχέση με τη γωνία (theta_x/y/z.csv, theta_X/Y/Z.csv). Αυτά εμφανίζονται ως εικονίδια προεπισκόπησης φάσματος ουράνιου τόξου στην εικόνα και συνοψίζονται στον πίνακα που ακολουθεί.

Main OghmaNano window showing output files from a combined drift–diffusion + ray-tracing run, including angle-resolved RGB and CIE (x,y,z / X,Y/Z) data. — Αποτελέσματα από την συνδυασμένη προσομοίωση διάχυσης-μεταφοράς και ανίχνευσης ακτίνων. Σε σύγκριση με την προηγούμενη μεθοδολογία της μεθόδου μεταφοράς, η ανίχνευση ακτίνων παράγει περισσότερα αρχεία, καθώς υπολογίζει την εξάρτηση του χρώματος και της έντασης από τη γωνία θέασης (`theta_RGB.csv`, `theta_x/y/z.csv`, `theta_X/Y/Z.csv` κ.λπ.).

CIE 1931 x component versus viewing angle from theta_x.csv. — Αποτελέσματα από την συνδυασμένη προσομοίωση διάχυσης-μεταφοράς και ανίχνευσης ακτίνων. Σε σύγκριση με την προηγούμενη μεθοδολογία της μεθόδου μεταφοράς, η ανίχνευση ακτίνων παράγει περισσότερα αρχεία, καθώς υπολογίζει την εξάρτηση του χρώματος και της έντασης από τη γωνία θέασης (`theta_RGB.csv`, `theta_x/y/z.csv`, `theta_X/Y/Z.csv` κ.λπ.).

Files describing the change of color with viewing angle.
Όνομα αρχείου	Περιγραφή
`theta_RGB.csv`	Τιμές RGB έναντι γωνίας θέασης
`theta_x.csv`	CIE 1931 x έναντι της γωνίας θέασης.
`theta_y.csv`	CIE 1931 y έναντι της γωνίας θέασης.
`theta_z.csv`	CIE 1931 z έναντι της γωνίας θέασης.
`theta_X.csv`	CIE 1931 X έναντι της γωνίας θέασης.
`theta_Y.csv`	CIE 1931 Y έναντι της γωνίας θέασης.
`theta_Z.csv`	CIE 1931 Z έναντι της γωνίας θέασης.

4. Το φάσμα του εκπεμπόμενου φωτός.

Όπως ορίζετε τις ηλεκτρικές παραμέτρους για κάθε στρώση, μπορείτε επίσης να διαμορφώσετε το φάσμα εκπομπής για κάθε στρώση στο παράθυρο των παραμέτρων εκπομπής (ανοίξτε το από τη Δομή συσκευής → Παράμετροι εκπομπής στην κύρια διεπαφή· δείτε Εικ. 5). Το φάσμα μπορεί να είναι είτε:

Πειραματικό φάσμα — ενεργοποίηση/απενεργοποίηση Χρήση πειραματικών φασμάτων εκπομπής. Ενεργοποιήστε και, στη συνέχεια, επιλέξτε ένα σύνολο δεδομένων μέσω της επιλογής "Πειραματικά φάσματα εκπομπής". Ελέγξτε τη συνολική ένταση με την επιλογή "Πειραματική απόδοση εκπομπής" (εύρος 0.0–1.0, αυθ. μονάδες). Πολλά σύνολα δεδομένων είναι διαθέσιμα στη βάση δεδομένων υλικών και μπορείτε να προσθέσετε τα δικά σας (δείτε "Βάσεις δεδομένων").
Υπολογισμένο φάσμα — ενεργοποίηση/απενεργοποίηση. Χρησιμοποιήστε πειραματικά φάσματα εκπομπής. Απενεργοποιήστε για να υπολογίσετε το φάσμα από τις συγκεντρώσεις φορέων και την πυκνότητα των καταστάσεων χρησιμοποιώντας τον Χρυσό Κανόνα του Fermi. Εμφανίζονται επιπλέον όροι απόδοσης δημιουργίας φωτονίων (όλοι σε μονάδες 0.0–1.0, au): nfree→pfree, nfree→ntrap, ntrap→pfree, ptrap→nfree και pfree→ptrap. Αυτή η λειτουργία προορίζεται για προχωρημένους χρήστες.

Όταν χρησιμοποιείται η τεχνική Ray Tracing για την εξαγωγή φωτός, κάθε στρώση μπορεί να καθορίσει τις κατευθύνσεις εκπομπής στην ενότητα Ray Tracing χρησιμοποιώντας σφαιρικές γωνίες: Βήματα Theta (π.χ. 180), Αρχική/Τελική γωνία Theta (σε μοίρες, π.χ. 0–360); Βήματα Phi (π.χ. 25), Αρχική/Τελική γωνία Phi (σε μοίρες, π.χ. 0–360). Αυτό σας επιτρέπει να εξερευνήσετε την γωνιακή διασπορά του φωτός. Για επίπεδες, ομοιογενείς κατά μήκος στοίβες, η συμμετρία συχνά σημαίνει ότι χρειάζεται να μεταβάλλετε μόνο μία από τις γωνίες Theta ή Phi.

Η επιλογή "Emit from" ελέγχει τις θέσεις εκπομπής των ακτίνων: "Center of each layer" εκπέμπει ακτίνες από το κέντρο κάθε επιπέδου εκπομπής (γρήγορο). "At each electrical mesh point" εκπέμπει ακτίνες σε κάθε ηλεκτρικό κόμβο για μεγαλύτερη ακρίβεια (πιο αργό, αλλά μπορεί να αντισταθμιστεί αυξάνοντας τον αριθμό των νημάτων).

Emission parameters window with 'Use experimental emission spectra' On. Fields: Experimental emission spectra (file chooser), Experimental emission efficiency (0.0–1.0), Ray tracing angles (Theta steps/start/stop, Phi steps/start/stop, degrees), and Emit from selector. — (α) Χρησιμοποιώντας ένα πειραματικό φάσμα εκπομπής: ενεργοποιήστε, επιλέξτε ένα σύνολο δεδομένων (π.χ. `small_molecules/Alq3`), ορίστε την απόδοση και διαμορφώστε τη γωνιακή δειγματοληψία για την ανίχνευση ακτίνων.

Emission parameters window with 'Use experimental emission spectra' Off. Additional fields appear for photon-generation efficiencies: nfree→pfree, nfree→ntrap, ntrap→pfree, ptrap→nfree, pfree→ptrap (each 0.0–1.0). Ray tracing theta/phi ranges and steps plus Emit from are also shown. — (β) Χρήση υπολογισμένου φάσματος: απενεργοποιήστε για να ενεργοποιήσετε τη λειτουργία Fermi’s-Golden-Rule, η οποία χρησιμοποιεί αποδόσεις παραγωγής φωτονίων ανά κανάλι, παράλληλα με τις ίδιες ρυθμίσεις για τη γωνία ανίχνευσης ακτίνων και τη θέση της πηγής.

🧪 Δοκιμάστε το μόνοι σας:

Εκτελέστε το παράδειγμα ακτινογραφίας OLED με τις προεπιλεγμένες ρυθμίσεις. Συγκρίνετε την καμπύλη lv.csv (φωτεινότητα έναντι τάσης) με την αντίστοιχη καμπύλη από την προσομοίωση TMM. Ποιες είναι οι διαφορές;
Αλλάξτε την επιλογή "Emit from" από "Κέντρο κάθε στρώσης" σε "Σε κάθε σημείο του ηλεκτρικού πλέγματος". Εκτελέστε ξανά την προσομοίωση. Πώς αλλάζουν οι αναλύσεις εξόδου ως προς τη γωνία (theta_RGB.csv, theta_x/y/z.csv);
Τροποποιήστε το εύρος των γωνιών θ/φ στις ρυθμίσεις της ακτινικής ανίχνευσης (π.χ., μειώστε το εύρος σε 0–90°). Εκτελέστε ξανά την προσομοίωση. Τι συμβαίνει στις γραφικές παραστάσεις χρώματος έναντι γωνίας;
Μεταβείτε από ένα πειραματικό φάσμα εκπομπής σε ένα υπολογισμένο φάσμα. Συγκρίνετε τα προκύπτοντα φάσματα εκπομπής. Ποιες ιδιότητες εμφανίζονται ή εξαφανίζονται;