Προσομοίωση οπτικής εξαγωγής φωτός σε OLED χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της μήτρας μεταφοράς (TMM).
1. Εισαγωγή
Σε αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα, θα προσομοιώσετε την οπτική εξαγωγή φωτός σε μια οργανική διόδο εκπομπής φωτός (OLED) χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της μήτρας μεταφοράς (TMM).
Σε αντίθεση με τις προσομοιώσεις ηλιακών κυψελών, όπου το φως εισέρχεται στη συσκευή και απορροφάται, οι οπτικές προσομοιώσεις OLED ξεκινούν με φωτόνια που παράγονται μέσα στην εκπεμπόμενη στρώση. Στη συνέχεια, ο επιλυτής της μεθόδου της μεταφορικής μήτρας υπολογίζει πώς αυτά τα φωτόνια διαδίδονται μέσω της πολυστρωματικής στοίβας και προσδιορίζει την πιθανότητα να διαφύγουν από τη συσκευή στον ελεύθερο χώρο.
Οι οργανικές διόδοι εκπομπής φωτός (OLED) επηρεάζονται σημαντικά από την οπτική συμβολή, επειδή το πάχος της συσκευής είναι συγκρίσιμο με το οπτικό μήκος κύματος. Το φως που εκπέμπεται στο εσωτερικό της συσκευής ανακλάται επανειλημμένα από το μεταλλικό ηλεκτρόδιο και τις διηλεκτρικές διεπαφές, δημιουργώντας πρότυπα στάσιμων κυμάτων και οπτικά φαινόμενα κοιλότητας.
Αυτά τα φαινόμενα κοιλότητας επηρεάζουν σημαντικά το τελικό φάσμα εκπομπής, το προφίλ της γωνιακής εκπομπής, την καθαρότητα του χρώματος και την οπτική απόδοση εξόδου της OLED.
Στις πρακτικές συσκευές, μόνο ένα μικρό μέρος των φωτονίων που παράγονται στο εσωτερικό διαφεύγει στον ελεύθερο χώρο. Πολλά φωτόνια παγιδεύονται σε καθοδηγούμενες διαδρομές, σε διαδρομές του υποστρώματος ή σε διαδρομές επιφανειακών πλάσμων στην επιφάνεια του μετάλλου. Επομένως, η κατανόηση και η βελτιστοποίηση της οπτικής εξόδου αποτελούν μία από τις βασικές προκλήσεις στον σχεδιασμό των OLED.
2. Δημιουργία της προσομοίωσης OLED.
Ανοίξτε το παράθυρο της νέας προσομοίωσης, όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Επιλέξτε την κατηγορία OLED.
Μέσα στην κατηγορία OLED, επιλέξτε το παράδειγμα OLED (TMM) που εμφανίζεται στην εικόνα ??.
Αποθηκεύστε την προσομοίωση σε έναν κατάλληλο φάκελο στον δίσκο. Μόλις φορτωθεί, θα εμφανιστεί η κύρια διεπαφή της προσομοίωσης, όπως φαίνεται στην εικόνα ??.
Το παράδειγμα περιλαμβάνει μια ολοκληρωμένη πολυεπίπεδη δομή OLED, η οποία αποτελείται από μια διαφανή επαφή ITO, μια στρώση μεταφοράς οπών, μια εκπεμπτική στρώση, μια στρώση μεταφοράς ηλεκτρονίων και μια μεταλλική κάθοδο.
3. Εξέταση της δομής OLED.
Ανοίξτε τον επεξεργαστή επιπέδων από την αριστερή πλαϊνή γραμμή εργαλείων. Θα εμφανιστεί η πολυεπίπεδη στοίβα OLED που φαίνεται στην εικόνα ??.
Η συσκευή αποτελείται από ένα διαφανή άνοδο ITO, μια στρώση μεταφοράς οπών NPD (HTL), μια εκπεμπτική στρώση Alq3 (EML), μια στρώση μεταφοράς ηλεκτρονίων TPBi (ETL), μια διεπιφανειακή στρώση LiF και μια κάθοδο αλουμινίου.
Η αλουμινένια κάθοδος λειτουργεί ως ένας εξαιρετικά ανακλαστικός καθρέφτης, δημιουργώντας μια συντονισμένη οπτική κοιλότητα στο εσωτερικό της OLED. Το φως που εκπέμπεται από το εκπομπό στρώμα ανακλάται επανειλημμένα στο εσωτερικό αυτής της κοιλότητας, τροποποιώντας σημαντικά την κατανομή του οπτικού πεδίου και την πιθανότητα διαφυγής.
Επειδή η οπτική κοιλότητα τροποποιεί την τοπική πυκνότητα των οπτικών καταστάσεων, το πάχος κάθε στρώσης OLED μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την απόδοση εκπομπής και το φάσμα.
4. Άνοιγμα του προγράμματος επίλυσης για την οπτική έξοδο.
Ανοίξτε την καρτέλα "Οπτικά", όπως φαίνεται στην εικόνα ??.
Κάντε κλικ στο κουμπί "Optical Outcoupling" για να ανοίξετε το παράθυρο προσομοίωσης εξαγωγής φωτός OLED.
Σε αντίθεση με τις οπτικές προσομοιώσεις ηλιακών κυψελών, οι προσομοιώσεις εξαγωγής φωτός OLED υπολογίζουν τη διάδοση των φωτονίων που παράγονται στο εσωτερικό της συσκευής, αντί για το φως που προσπίπτει εξωτερικά.
Ο επιλυτής της μεθόδου της μεταφορικής μήτρας υπολογίζει την οπτική κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου, τις συντονιστικές συχνότητες της κοιλότητας, την πιθανότητα διαφυγής φωτονίων και την απόδοση εξαγωγής φωτός ως συνάρτηση του μήκους κύματος σε όλη τη στοίβα πολυεπίπεδης OLED.
5. Διαμόρφωση της στρώσης εκπομπής.
Ανοίξτε τον επεξεργαστή οπτικής εκπομπής, όπως φαίνεται στην εικόνα ??.
Αυτός ο επεξεργαστής ελέγχει τις οπτικές ιδιότητες εκπομπής των στρωμάτων OLED. Σε αυτό το παράδειγμα, η εκπομπευτική στρώση Alq3 χρησιμοποιεί πειραματικά μετρημένα φάσματα εκπομπής.
Ο επιλυτής της μεθόδου της μεταφορικής μήτρας εκπέμπει φωτόνια από το στρώμα εκπομπής και στη συνέχεια υπολογίζει πώς αυτά τα φωτόνια διαδίδονται μέσω της πολυεπίπεδης δομής.
Οι ρυθμίσεις για την γωνιακή ανίχνευση ακτίνων καθορίζουν την γωνιακή ανάλυση που χρησιμοποιείται κατά τον υπολογισμό της διάδοσης των φωτονίων και της πιθανότητας διαφυγής.
Επειδή η κοιλότητα OLED τροποποιεί σημαντικά την γωνιακή κατανομή των εκπεμπόμενων φωτονίων, η ακριβής γωνιακή δειγματοληψία είναι σημαντική κατά τον υπολογισμό της απόδοσης εξόδου.
6. Διαμόρφωση οπτικής δικτυωτής δομής.
Ανοίξτε τον επεξεργαστή οπτικού πλέγματος που εμφανίζεται στην ??.
Το πλέγμα των μηκών κύματος ελέγχει το φασματικό εύρος και την ανάλυση μήκους κύματος που χρησιμοποιούνται κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης εξαγωγής φωτός από την OLED.
Σε αυτό το παράδειγμα, το εύρος των μηκών κύματος εκτείνεται περίπου από 300 έως 580 nm, καλύπτοντας το εύρος εκπομπής του υλικού εκπομπής φωτός Alq3.
Η αύξηση της ανάλυσης μήκους κύματος βελτιώνει την ακρίβεια του φάσματος, αν και αυτό συνεπάγεται επιπλέον υπολογιστικό χρόνο.
7. Κατανομή της πυκνότητας των φωτονίων.
Εκτελέστε την προσομοίωση οπτικής εξόδου πατώντας το κουμπί "Εκτέλεση οπτικής προσομοίωσης".
Μετά την ολοκλήρωση της προσομοίωσης, θα εμφανιστεί ο χάρτης πυκνότητας φωτονίων που φαίνεται στην εικόνα ??.
Ο οριζόντιος άξονας αντιστοιχεί στη θέση εντός της OLED, ενώ ο κατακόρυφος άξονας αντιστοιχεί στο μήκος κύματος.
Bright regions correspond to wavelengths and positions where the optical electric field is enhanced by cavity resonances. Strong standing-wave patterns can be observed throughout the OLED structure due to repeated reflections between the metallic cathode and transparent anode.
Αυτά τα πρότυπα σταθερών κυμάτων επηρεάζουν σημαντικά το σημείο όπου συσσωρεύονται τα φωτόνια μέσα στη συσκευή και καθορίζουν πόσο αποτελεσματικά διαφεύγουν τα φωτόνια στον ελεύθερο χώρο.
8. Πιθανότητα διαφυγής φωτονίων
Επιλέγοντας την καρτέλα "Πιθανότητα διαφυγής", εμφανίζεται ο χάρτης της πιθανότητας διαφυγής, ο οποίος εξαρτάται από το μήκος κύματος και τη θέση, όπως φαίνεται στην ??.
Αυτό το διάγραμμα απεικονίζει την πιθανότητα τα φωτόνια που παράγονται στο εσωτερικό της OLED να διαφεύγουν από τη συσκευή και να εισέρχονται στον ελεύθερο χώρο.
Η πιθανότητα διαφυγής μεταβάλλεται σημαντικά ανάλογα με το μήκος κύματος και τη θέση, επειδή η OLED συμπεριφέρεται ως οπτική κοιλότητα συντονισμού.
Σε ορισμένα μήκη κύματος, η οπτική κοιλότητα ενισχύει την έξοδο της ακτινοβολίας, ενώ σε άλλα μήκη κύματος τα φωτόνια παγιδεύονται μέσα στις καθοδηγούμενες ή στις κοιλιακές διαμορφώσεις.
Η μέση τιμή της πιθανότητας διαφυγής, όπως παρουσιάζεται στην ??, αποκαλύπτει πώς μεταβάλλεται η απόδοση της εξόδου φωτός σε όλο το ορατό φάσμα.
9. Πιθανότητα διαφυγής που εξαρτάται από τη θέση.
Η καρτέλα «Πιθανότητα διαφυγής (1Δ κατά μήκος του άξονα y)» παράγει το χωρικά αναλυμένο προφίλ πιθανότητας διαφυγής που εμφανίζεται στην εικόνα ??.
Αυτό το διάγραμμα δείχνει πόσο αποτελεσματικά διαφεύγουν τα φωτόνια, ανάλογα με τη θέση στην οποία παράγονται μέσα στην OLED.
Η μέγιστη απόδοση εξόδου της ακτινοβολίας επιτυγχάνεται κοντά στα μέγιστα του οπτικού πεδίου της οπτικής κοιλότητας. Ως εκ τούτου, η ακριβής θέση της εκπεμπτικής στρώσης μέσα στην οπτική κοιλότητα της OLED επηρεάζει σημαντικά τη συνολική απόδοση της συσκευής.
Στην πρακτική σχεδίαση OLED, το πάχος της εκπεμπτικής στρώσης και η θέση της κοιλότητας συνήθως ρυθμίζονται προσεκτικά για να μεγιστοποιηθεί η επικάλυψη με το αντι-κόμβο της οπτικής κοιλότητας.
10. Πιθανότητα διαφυγής και ενεργειακά χαρακτηριστικά της συσκευής.
Τα διαγράμματα οπτικής εξαγωγής μπορούν επίσης να εμφανίζονται μαζί με τα ενεργειακά επίπεδα της OLED, όπως φαίνεται στην εικόνα. ??.
Η επικάλυψη της κατανομής του οπτικού πεδίου με την ηλεκτρονική δομή της συσκευής παρέχει χρήσιμες φυσικές πληροφορίες σχετικά με τη σχέση μεταξύ της ανασυνδυασμένης φόρτισης και της οπτικής εκπομπής.
Στην ιδανική περίπτωση, η ανασύνθεση ηλεκτρονίων-οπών θα πρέπει να συμβαίνει σε περιοχές όπου η πιθανότητα οπτικής διαφυγής είναι υψηλή. Εάν η ανασύνθεση συμβεί σε περιοχές με χαμηλή απόδοση εξόδου φωτός, ένα μεγάλο ποσοστό φωτονίων μπορεί να παραμείνει παγιδευμένο μέσα στην κοιλότητα της OLED.
11. Εσωτερική εκπομπή φωτός αντί για εξωτερικό φωτισμό.
Σε αντίθεση με τις προσομοιώσεις φωτοβολταϊκών, οι οπτικές προσομοιώσεις OLED δεν απαιτούν εξωτερικό φωτισμό. Αντίθετα, τα φωτόνια παράγονται εσωτερικά μέσα στην εκπεμπόμενη στρώση.
Στη συνέχεια, ο επιλυτής της μήτρας μεταφοράς καθορίζει πώς αυτά τα εσωτερικά παραγόμενα φωτόνια διαδίδονται μέσα στην οπτική κοιλότητα και αν διαφεύγουν στον ελεύθερο χώρο ή παραμένουν παγιδευμένα μέσα στη συσκευή.
Αυτή η διαφορά αποτελεί τη θεμελιώδη διάκριση μεταξύ των οπτικών προσομοιώσεων OLED και των προσομοιώσεων οπτικής απορρόφησης σε ηλιακά κύτταρα.
12. Περίληψη
Σε αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα, χρησιμοποιήσατε τη μέθοδο της μήτρας μεταφοράς για να προσομοιώσετε την οπτική έξοδο σε μια πολυεπίπεδη συσκευή OLED.
Εξετάσατε τις κατανομές της πυκνότητας των φωτονίων, τις συντονιστικές συχνότητες της κοιλότητας που εξαρτώνται από το μήκος κύματος και τις πιθανότητες διαφυγής των φωτονίων σε όλη τη δομή της OLED.
Εξετάσατε επίσης πώς η οπτική κοιλότητα τροποποιεί την πιθανότητα διαφυγής των φωτονίων από τη συσκευή στον ελεύθερο χώρο.
Η μέθοδος της μήτρας μεταφοράς παρέχει ένα ισχυρό και υπολογιστικά αποδοτικό πλαίσιο για την κατανόηση της οπτικής συμβολής, των συντονισμών κοιλότητας και της απόδοσης εξόδου στις συσκευές OLED.