☰
OghmaNano כולל פותר מתקדם המבוסס על שיטת מטריצת מעבר (TMM) למידול אופטיקה קוהרנטית של שכבות דקות במכשירים רב-שכבתיים. השיטה מיועדת לפתרון בעיות בתאים סולאריים דקים, מיקרו-חללים של OLED, מסננים אופטיים, ציפויים אנטי-רפלקטיביים, מראות ומערכות רב-שכבתיות מישוריים כלליים. מכיוון שהשדה האופטי מטופל כגל קוהרנטי המתפשט דרך תווך רב-שכבתי חד-ממדי, הפותר מסוגל באופן טבעי לתאר השתקפות, העברה, הפרעה, יצירת גלים עומדים, הגברה של חלל וספיגה כתלות באורך הגל, והכל במסגרת אחידה אחת.
ניתן ליישם את אותה מסגרת TMM על מגוון רחב של מבנים אופטיים רב-שכבתיים, כולל מסננים אופטיים רב-שכבתיים, סימולציות של התקני OLED עם אופטיקה קוהרנטית של שכבות דקות, תאים סולאריים מבוססי פרוביסקיט עם יצירה אופטית, ו- התקנים פוטו-וולטאיים אורגניים. בהתקנים מישוריים וחלקים, גישת מטריצת המעבר היא לעתים קרובות הדרך הישירה ביותר להבין כיצד אנרגיה אופטית מופצת מחדש בכל השכבות וכיצד חלוקה מחדש זו משפיעה על ביצועי ההתקן.
המשתמש יכול להגדיר מבנה רב-שכבתי, להקצות חומרים אופטיים שתלויים באורך הגל, לחשב ספקטרום של אור מוחזר ומועבר, ולבדוק מפות של צפיפות פוטונים, ספיגה ויצירה בכל רחבי המכשיר. בסימולציות מתקדמות יותר, ניתן לחבר ישירות את אותה מערכת אופטית לפתרונות החשמליים של OghmaNano, ובכך לאפשר ספיגה אופטית ליצור זרם פוטואלקטרי בתאים סולאריים, או לאפשר לפרופילי רקומבינציה שנוצרו חשמלית להזין מודל של צימוד אור במכשיר OLED.
בשיטת מטריצת המעבר, כל שכבה דקה מיוצגת על ידי מטריצה המקשרת בין גלי האור המתקדמים בכיוון קדימה ואחורה בשתי הפאות שלה. עבור שכבה בעלת מקדם שבירה \(n\), עובי \(d\) ועובי פאזה:
\[ \delta = \frac{2\pi}{\lambda} n d, \]
ניתן לרשום מטריצת שכבות פשוטה בצורה הבאה:
\[ M = \begin{bmatrix} \cos(\delta) & \dfrac{i}{n}\sin(\delta) \\ i n \sin(\delta) & \cos(\delta) \end{bmatrix}. \]
עבור מבנה רב-שכבתי, התגובה הכוללת מתקבלת על ידי הכפלת המטריצות של השכבות הבודדות:
\[ M_{\mathrm{total}} = \prod_{j=1}^{N} M_j. \]
לאחר שנודעת המטריצה הכוללת, ניתן לחלץ את משרעות ההחזרה והשידור המורכבות, וניתן לחשב את ההחזרה והשידור הניתנים למדידה על סמך כך.
\[ R = |r|^2, \qquad T = \frac{n_s}{n_0}|t|^2, \]
כאשר \(n_0\) ו-\(n_s\) הם מקדמי השבירה של התווך הפוגע והמצע. גישה חד-ממדית זו לטיפול בגלים היא יעילה מבחינה חישובית, אך היא נשארת מדויקת עבור שכבות קוהרנטיות מישוריות, ולכן היא מתאימה מאוד למכשירים אופטו-אלקטרוניים רב-שכבתיים.
אחד היתרונות המרכזיים של TMM הוא שהוא פותר לא רק את שאלת כמות האור המוחזרת או המועברת, אלא גם את שאלת מיקום השדה האופטי בתוך המכשיר. מפת צפיפות הפוטונים המוצגת ב-Figure ?? ממחישה זאת באופן ישיר: דפוסי גלים עומדים מופיעים באופן טבעי בתוך המבנה הרב-שכבתי כתוצאה מהתאבכות בין גלים המתקדמים בכיוון אחד וגלים המתקדמים בכיוון ההפוך.
דבר זה חיוני למידול תאים סולאריים, מכיוון שהבליעה אינה אחידה במרחב. ניתן לשפר או לדכא את השדה האופטי בעומקים שונים בהתאם לאורך הגל, וזה משנה ישירות היכן נוצרים זוגות אלקטרון-חור. ב-OghmaNano, פותר מטריצת המעבר יכול, לפיכך, לספק פרופיל אופטי של יצירת זוגות אלקטרון-חור ברזולוציה מרחבית לפותר החשמלי, ובכך לאפשר מידול של תאים סולאריים דקים עם אפקטים של אינטרפרנציה מציאותיים, ולא עם יצירת זוגות אלקטרון-חור אחידה על פי חוק ביר-למברט.
אותה נקודת מבט של שדה פנימי חשובה באותה מידה גם עבור התקנים פולטי אור. בתצוגי OLED, האור אינו נוצר רק בתוך השכבות, אלא גם מופץ מחדש על ידי החלל האופטי לפני שהוא יוצא מההתקן. זו הסיבה שאופטיקה קוהרנטית ממלאת תפקיד מרכזי כל כך בתכנון תצוגי OLED.
במסכי OLED שטוחים וחלקים, המכשיר פועל כמערה אופטית דקה. האור הנוצר בנקודות שונות בתוך השכבות אינו נפלט באותה הסתברות בכל אורכי הגל. במקום זאת, המערה משנה את הספקטרום ואת זווית הפליטה, ושינויים אלה יכולים להיות משמעותיים כתלות בעובי השכבה ובמיקום אזור הפליטה.
מפת הסתברות הבריחה המוצגת באיור ?? ממחישה זאת בבירור: שילובים מסוימים של אורך גל ועומק מאפשרים יציאה יעילה מהמכשיר, בעוד שאחרים מדוכאים. כאשר פרופיל השחזור החשמלי משתנה בהתאם למתח המופעל, הספקטרום הנפלט האפקטיבי יכול להשתנות בהתאם. זו הסיבה שהמנוע של מטריצת המעבר כל כך שימושי במידול OLED: הוא מספק נתיב ישיר מפרופיל השחזור לספקטרום הפליטה, לספקטרום ה-EQE ולערכי הצבע.
ספקטרום ה-EQE התלוי באורך הגל המוצג באיור איור ?? ומסלול הצבעים המוצג באיור איור ?? הם דוגמאות לאופן שבו מתבצע תהליך עבודה אלקטרו-אופטי משולב. בחברת OghmaNano, פותר ה-TMM אינו רק מעבד נתונים אופטי פסיבי: הוא חלק ממודל המכשיר ה-OLED השלם.
שיטת מטריצת המעבר היא גם כלי טבעי לתכנון מסננים אופטיים רב-שכבתיים. על ידי שינוי עובי השכבות ומקדם השבירה, המשתמש יכול לשנות ישירות את רוחב הפס המועבר, את רוחב הפס החסום ואת תכונות התהודה. הדבר הופך את השיטה לאידיאלית עבור ציפויים אנטי-רפלקטיביים, מחזירי בראג, מראות חלל ומסננים ספקטרליים כלליים.
תוצאת הסריקה המוצגת באיור ?? ממחישה עד כמה הספקטרום המשודר יכול להשתנות כאשר מבצעים שינויים במבנה הרב-שכבתי. מכיוון ששיטת TMM דורשת משאבים חישוביים מועטים בהשוואה לשיטות לפתרון בעיות בשדה מלא, היא מתאימה במיוחד לסריקות פרמטרים ולמחקרים אופטימיזציה בתחומים כמו עובי, טווח אורכי גל או בחירת חומר.
בנוסף לספקטרי ההחזרה והשידור הסטנדרטיים, תהליך העבודה TMM של OghmaNano יכול ליצור פלטי פלט אופטיים ספציפיים יותר למכשיר. עבור מסכי OLED, זה כולל ספקטרי EQE התלויים במתח וקואורדינטות צבע. לדוגמה, המסלולים המחושבים של CIE \(x\), \(y\) ו-\(x\)-\(y\), המוצגים ב-Figure ??, Figure ?? ו-Figure ??, מאפשרים לכמת את סטיות הצבע כפונקציה של נקודת הפעולה.
זה חשוב בתכנון של מכשירים אמיתיים. עבור תאים סולאריים, הדאגה העיקרית היא היכן הפוטונים הנקלטים הופכים למטען חשמלי. עבור מסכי OLED, הדאגה העיקרית היא לעתים קרובות כיצד שינוי הפליטה באמצעות שינוי מבנה החלל משפיע על הבהירות, הספקטרום והצבע הנראה. אותה מערכת המבוססת על מטריצת העברה תומכת בשתי השימושים.
ניתן להשתמש בשיטת מטריצת המעבר למגוון רחב של בעיות אופטיקה גלית חד-ממדית. בתחום האופטיקה של שכבות דקות, היא מתאימה במיוחד לציפויים אנטי-רפלקטיביים, מראות בראג, מסננים אופטיים ומבנים חלוליים. בתחום האופטו-אלקטרוניקה, היא משמשת לצימוד אור ממכשירים מסוג OLED, ליצירה אופטית של תאים סולאריים בשכבות דקות, למערכי פרובסקיט ולגלאי אור רב-שכבתיים. בכל מקום שבו ניתן לתאר את המכשיר באמצעות מערך מישורי, וחשוב לשמור על קוהרנטיות בין השכבות, שיטת מטריצת המעבר מספקת פתרון יעיל וחזק.
מכיוון שהשיטה דורשת משאבים חישוביים מועטים בהשוואה לשיטות מורכבות יותר, היא שימושית במיוחד לסריקת עובי שכבות, לבדיקת חומרים פוטנציאליים ולהבנת מגמות עיצוב במהירות. לכן, היא משמשת הן ככלי עיצוב מעשי והן כאמצעי לבניית אינטואיציה פיזיקלית לגבי תופעת ההפרעה של שכבות דקות במכשירים רב-שכבתיים.
OghmaNano כולל מספר מדריכים המדגימים כיצד להשתמש בשיטת מטריצת המעבר בבעיות מעשיות הקשורות להתקנים אלקטרו-אופטיים. דוגמאות אלו מנחות את המשתמש משלב הבסיס של אופטיקה רב-שכבתית ועד לשלב של סימולציות אלקטרו-אופטיות משולבות.
נקודות התחלה מועילות כוללות את מדריך על מסננים אופטיים, את מדריך על אופטיקה קוהרנטית של שכבות דקות OLED, את מדריך על בליעה אופטית של פרובוסקיט, ואת מדריכים על תאים סולאריים אורגניים. יחד, הדוגמאות הללו מראות כיצד ניתן להשתמש באותו פותר לניתוח השתקפות והעברה, פליטה משופרת באמצעות חללים, יצירה אופטית, ספקטרי EQE וחיזוי צבע.
נסו דוגמה המשתמשת במטריצת מעבר.
התחילו עם מדריך על מסננים אופטיים לקבלת מבוא קצר לאינטרפרנציה רב-שכבתית, ולאחר מכן עברו ל-אופטיקה של תאים סולאריים דקים או אופטיקה קוהרנטית של שכבות דקות OLED.
דוגמאות אלו ממחישות כיצד להגדיר מבנה רב-שכבתי, לחשב את התפלגות הפוטונים הפנימית, ולחבר ישירות את האופטיקה הקוהרנטית לביצועי המכשיר.