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OghmaNano include un sofisticato risolutore basato sul metodo della matrice di trasferimento (TMM) per la modellazione dell’ottica coerente di film sottili in dispositivi multistrato. Il metodo è progettato per risolvere problemi relativi a celle solari a film sottile, microcavità OLED, filtri ottici, rivestimenti antiriflesso, specchi e strutture multistrato planari in generale. Poiché il campo ottico viene trattato come un’onda coerente che si propaga attraverso un mezzo multistrato monodimensionale, il risolutore è in grado di gestire in modo naturale fenomeni quali la riflessione, la trasmissione, l’interferenza, la formazione di onde stazionarie, l’amplificazione della cavità e l’assorbimento dipendente dalla lunghezza d’onda, il tutto all’interno di un unico sistema integrato.OghmaNano include un sofisticato risolutore basato sul metodo della matrice di trasferimento (TMM) per la modellazione dell’ottica coerente di film sottili in dispositivi multistrato. Il metodo è progettato per risolvere problemi relativi a celle solari a film sottile, microcavità OLED, filtri ottici, rivestimenti antiriflesso, specchi e strutture multistrato planari in generale. Poiché il campo ottico viene trattato come un’onda coerente che si propaga attraverso un mezzo multistrato monodimensionale, il risolutore è in grado di gestire in modo naturale fenomeni quali la riflessione, la trasmissione, l’interferenza, la formazione di onde stazionarie, l’amplificazione della cavità e l’assorbimento dipendente dalla lunghezza d’onda, il tutto all’interno di un unico sistema integrato.
Lo stesso modello TMM può essere applicato a un’ampia gamma di strutture ottiche multistrato, tra cui filtri ottici multistrato, simulazioni di dispositivi OLED con ottica coerente a film sottile, celle solari a perovskite con generazione ottica e dispositivi fotovoltaici organici. Nei dispositivi planari e omogenei, l’approccio della matrice di trasferimento è spesso il metodo più diretto per comprendere come l’energia ottica viene ridistribuita all’interno della struttura e come tale ridistribuzione influisce sulle prestazioni del dispositivo.Lo stesso modello TMM può essere applicato a un’ampia gamma di strutture ottiche multistrato, tra cui filtri ottici multistrato, simulazioni di dispositivi OLED con ottica coerente a film sottile, celle solari a perovskite con generazione ottica e dispositivi fotovoltaici organici. Nei dispositivi planari e omogenei, l’approccio della matrice di trasferimento è spesso il metodo più diretto per comprendere come l’energia ottica viene ridistribuita all’interno della struttura e come tale ridistribuzione influisce sulle prestazioni del dispositivo.
L’utente può definire una struttura a strati, assegnare materiali ottici con proprietà variabili in funzione della lunghezza d’onda, calcolare gli spettri di riflessione e trasmissione e analizzare le mappe di densità fotonica, assorbimento e generazione all’interno del dispositivo. In simulazioni più avanzate, lo stesso motore ottico può essere collegato direttamente ai risolutori elettrici di OghmaNano, consentendo all’assorbimento ottico di generare fotocorrente nelle celle solari o permettendo ai profili di ricombinazione generati elettricamente di alimentare un modello di estrazione della luce per OLED.L’utente può definire una struttura a strati, assegnare materiali ottici con proprietà variabili in funzione della lunghezza d’onda, calcolare gli spettri di riflessione e trasmissione e analizzare le mappe di densità fotonica, assorbimento e generazione all’interno del dispositivo. In simulazioni più avanzate, lo stesso motore ottico può essere collegato direttamente ai risolutori elettrici di OghmaNano, consentendo all’assorbimento ottico di generare fotocorrente nelle celle solari o permettendo ai profili di ricombinazione generati elettricamente di alimentare un modello di estrazione della luce per OLED.
Nel metodo della matrice di trasferimento, ogni strato sottile è rappresentato da una matrice che mette in relazione le onde ottiche che si propagano in avanti e all’indietro alle due interfacce dello strato. Per uno strato con indice di rifrazione \(n\), spessore \(d\) e spessore di fase:Nel metodo della matrice di trasferimento, ogni strato sottile è rappresentato da una matrice che mette in relazione le onde ottiche che si propagano in avanti e all’indietro alle due interfacce dello strato. Per uno strato con indice di rifrazione \(n\), spessore \(d\) e spessore di fase:
\[ \delta = \frac{2\pi}{\lambda} n d, \] \[ \delta = \frac{2\pi}{\lambda} n d, \]
una semplice matrice a strati può essere rappresentata come:una semplice matrice a strati può essere rappresentata come:
\[ M = \begin{bmatrix} \cos(\delta) & \dfrac{i}{n}\sin(\delta) \\ i n \sin(\delta) & \cos(\delta) \end{bmatrix}. \] \[ M = \begin{bmatrix} \cos(\delta) & \dfrac{i}{n}\sin(\delta) \\ i n \sin(\delta) & \cos(\delta) \end{bmatrix}. \]
Nel caso di una struttura multistrato, la risposta complessiva si ottiene moltiplicando le matrici dei singoli strati:Nel caso di una struttura multistrato, la risposta complessiva si ottiene moltiplicando le matrici dei singoli strati:
\[ M_{\mathrm{total}} = \prod_{j=1}^{N} M_j. \] \[ M_{\mathrm{total}} = \prod_{j=1}^{N} M_j. \]
Una volta che si conosce la matrice completa, è possibile ricavare le ampiezze complesse della riflessione e della trasmissione, e da queste si possono determinare i valori misurabili della riflettanza e della trasmittanza.Una volta che si conosce la matrice completa, è possibile ricavare le ampiezze complesse della riflessione e della trasmissione, e da queste si possono determinare i valori misurabili della riflettanza e della trasmittanza.
\[ R = |r|^2, \qquad T = \frac{n_s}{n_0}|t|^2, \] \[ R = |r|^2, \qquad T = \frac{n_s}{n_0}|t|^2, \]
dove \(n_0\) e \(n_s\) rappresentano rispettivamente gli indici di rifrazione del mezzo incidente e del substrato. Questo approccio monodimensionale all’analisi delle onde è efficiente dal punto di vista computazionale, ma mantiene un elevato grado di rigore per i film coerenti planari ed è quindi particolarmente adatto ai dispositivi optoelettronici multistrato.dove \(n_0\) e \(n_s\) rappresentano rispettivamente gli indici di rifrazione del mezzo incidente e del substrato. Questo approccio monodimensionale all’analisi delle onde è efficiente dal punto di vista computazionale, ma mantiene un elevato grado di rigore per i film coerenti planari ed è quindi particolarmente adatto ai dispositivi optoelettronici multistrato.
Uno dei principali punti di forza della TMM è che essa determina non solo la quantità di luce riflessa o trasmessa, ma anche la posizione del campo ottico all’interno del dispositivo. La mappa della densità dei fotoni mostrata in Figura ?? illustra direttamente questo aspetto: all’interno della struttura a strati si formano naturalmente schemi di onde stazionarie, come risultato dell’interferenza tra le onde che si propagano in avanti e quelle che si propagano all’indietro.Uno dei principali punti di forza della TMM è che essa determina non solo la quantità di luce riflessa o trasmessa, ma anche la posizione del campo ottico all’interno del dispositivo. La mappa della densità dei fotoni mostrata in Figura ?? illustra direttamente questo aspetto: all’interno della struttura a strati si formano naturalmente schemi di onde stazionarie, come risultato dell’interferenza tra le onde che si propagano in avanti e quelle che si propagano all’indietro.
Questo aspetto è fondamentale per la modellazione delle celle solari, poiché l’assorbimento non è uniforme nello spazio. Il campo ottico può essere amplificato o attenuato a diverse profondità a seconda della lunghezza d’onda, e questo modifica direttamente il punto in cui vengono generati gli elettroni e le lacune. In OghmaNano, il risolutore basato sulla matrice di trasferimento può quindi fornire un profilo di generazione ottica risolto spazialmente al risolutore elettrico, rendendo possibile modellare le celle solari a film sottile con effetti di interferenza realistici, anziché con una generazione uniforme secondo la legge di Beer-Lambert.Questo aspetto è fondamentale per la modellazione delle celle solari, poiché l’assorbimento non è uniforme nello spazio. Il campo ottico può essere amplificato o attenuato a diverse profondità a seconda della lunghezza d’onda, e questo modifica direttamente il punto in cui vengono generati gli elettroni e le lacune. In OghmaNano, il risolutore basato sulla matrice di trasferimento può quindi fornire un profilo di generazione ottica risolto spazialmente al risolutore elettrico, rendendo possibile modellare le celle solari a film sottile con effetti di interferenza realistici, anziché con una generazione uniforme secondo la legge di Beer-Lambert.
La stessa prospettiva basata sul campo interno è altrettanto importante per i dispositivi emettitori. Nei display OLED, la luce non viene generata solo all’interno dello strato, ma viene anche ridistribuita dalla cavità ottica prima di essere emessa dal dispositivo. Per questo motivo, l’ottica coerente svolge un ruolo così fondamentale nella progettazione dei display OLED.La stessa prospettiva basata sul campo interno è altrettanto importante per i dispositivi emettitori. Nei display OLED, la luce non viene generata solo all’interno dello strato, ma viene anche ridistribuita dalla cavità ottica prima di essere emessa dal dispositivo. Per questo motivo, l’ottica coerente svolge un ruolo così fondamentale nella progettazione dei display OLED.
Nei display OLED planari, il dispositivo funge da cavità ottica a film sottile. La luce generata in diversi punti all’interno della struttura non viene emessa con la stessa probabilità a tutte le lunghezze d’onda. Invece, la cavità modifica le caratteristiche spettrali e angolari dell’emissione, e queste possono variare notevolmente in funzione dello spessore dello strato e della posizione della zona di emissione.Nei display OLED planari, il dispositivo funge da cavità ottica a film sottile. La luce generata in diversi punti all’interno della struttura non viene emessa con la stessa probabilità a tutte le lunghezze d’onda. Invece, la cavità modifica le caratteristiche spettrali e angolari dell’emissione, e queste possono variare notevolmente in funzione dello spessore dello strato e della posizione della zona di emissione.
La mappa della probabilità di emissione mostrata in Figura ?? illustra chiaramente questo concetto: alcune combinazioni di lunghezza d’onda e profondità favoriscono l’emissione efficiente dalla sorgente luminosa, mentre altre la inibiscono. Quando il profilo di ricombinazione elettrica si modifica in funzione della tensione applicata, anche lo spettro di emissione risultante può subire una variazione. Per questo motivo, il motore basato sulla matrice di trasferimento è uno strumento così utile nella modellazione degli OLED: fornisce un collegamento diretto tra il profilo di ricombinazione e lo spettro di emissione, lo spettro dell’efficienza quantica esterna e le coordinate cromatiche.La mappa della probabilità di emissione mostrata in Figura ?? illustra chiaramente questo concetto: alcune combinazioni di lunghezza d’onda e profondità favoriscono l’emissione efficiente dalla sorgente luminosa, mentre altre la inibiscono. Quando il profilo di ricombinazione elettrica si modifica in funzione della tensione applicata, anche lo spettro di emissione risultante può subire una variazione. Per questo motivo, il motore basato sulla matrice di trasferimento è uno strumento così utile nella modellazione degli OLED: fornisce un collegamento diretto tra il profilo di ricombinazione e lo spettro di emissione, lo spettro dell’efficienza quantica esterna e le coordinate cromatiche.
Lo spettro EQE dipendente dalla lunghezza d’onda mostrato in Figura ?? e la traiettoria cromatica mostrata in Figura ?? sono esempi di questo specifico processo elettro-ottico integrato. In OghmaNano, il risolutore TMM non è quindi semplicemente un elaboratore ottico passivo: fa parte del modello completo del dispositivo OLED.Lo spettro EQE dipendente dalla lunghezza d’onda mostrato in Figura ?? e la traiettoria cromatica mostrata in Figura ?? sono esempi di questo specifico processo elettro-ottico integrato. In OghmaNano, il risolutore TMM non è quindi semplicemente un elaboratore ottico passivo: fa parte del modello completo del dispositivo OLED.
Il metodo della matrice di trasferimento è anche uno strumento efficace per la progettazione di filtri ottici multistrato. Modificando lo spessore degli strati e gli indici di rifrazione, l’utente può modificare direttamente le bande di trasmissione, le bande di blocco e le caratteristiche di risonanza. Ciò rende il metodo ideale per rivestimenti antiriflesso, riflettori di Bragg, specchi per cavità e filtri spettrali in generale.Il metodo della matrice di trasferimento è anche uno strumento efficace per la progettazione di filtri ottici multistrato. Modificando lo spessore degli strati e gli indici di rifrazione, l’utente può modificare direttamente le bande di trasmissione, le bande di blocco e le caratteristiche di risonanza. Ciò rende il metodo ideale per rivestimenti antiriflesso, riflettori di Bragg, specchi per cavità e filtri spettrali in generale.
Il risultato della scansione mostrato in Figura ?? illustra quanto può variare lo spettro trasmesso quando si modifica la struttura multistrato. Poiché il metodo TMM richiede una potenza di calcolo inferiore rispetto ai metodi di risoluzione del campo completo, è particolarmente adatto per eseguire scansioni di parametri e studi di ottimizzazione in funzione dello spessore, dell’intervallo di lunghezze d’onda o della scelta dei materiali.Il risultato della scansione mostrato in Figura ?? illustra quanto può variare lo spettro trasmesso quando si modifica la struttura multistrato. Poiché il metodo TMM richiede una potenza di calcolo inferiore rispetto ai metodi di risoluzione del campo completo, è particolarmente adatto per eseguire scansioni di parametri e studi di ottimizzazione in funzione dello spessore, dell’intervallo di lunghezze d’onda o della scelta dei materiali.
Oltre agli spettri standard di riflettanza e trasmittanza, il flusso di lavoro TMM di OghmaNano può generare risultati ottici più specifici per ciascun dispositivo. Nel caso degli OLED, ciò include spettri di efficienza quantica esterna (EQE) in funzione della tensione e coordinate cromatiche. Ad esempio, le traiettorie CIE \(x\), \(y\) e \(x\)-\(y\) mostrate in Figura ??, Figura ?? e Figura ?? consentono di quantificare la variazione cromatica in funzione del punto di funzionamento.Oltre agli spettri standard di riflettanza e trasmittanza, il flusso di lavoro TMM di OghmaNano può generare risultati ottici più specifici per ciascun dispositivo. Nel caso degli OLED, ciò include spettri di efficienza quantica esterna (EQE) in funzione della tensione e coordinate cromatiche. Ad esempio, le traiettorie CIE \(x\), \(y\) e \(x\)-\(y\) mostrate in Figura ??, Figura ?? e Figura ?? consentono di quantificare la variazione cromatica in funzione del punto di funzionamento.
Questo aspetto è fondamentale nella progettazione di dispositivi reali. Nel caso delle celle solari, la questione principale è capire dove i fotoni assorbiti vengono convertiti in carica elettrica. Per gli OLED, la questione principale è spesso come le modifiche alla cavità influenzano la luminosità, lo spettro e il colore percepito dell’emissione. Lo stesso motore basato sulla matrice di trasferimento supporta entrambi i casi d’uso.Questo aspetto è fondamentale nella progettazione di dispositivi reali. Nel caso delle celle solari, la questione principale è capire dove i fotoni assorbiti vengono convertiti in carica elettrica. Per gli OLED, la questione principale è spesso come le modifiche alla cavità influenzano la luminosità, lo spettro e il colore percepito dell’emissione. Lo stesso motore basato sulla matrice di trasferimento supporta entrambi i casi d’uso.
Il metodo della matrice di trasferimento può essere utilizzato per risolvere un’ampia gamma di problemi di ottica ondulatoria monodimensionale. Nell’ottica dei film sottili, è ideale per rivestimenti antiriflesso, specchi di Bragg, filtri ottici e strutture a cavità. Nell’optoelettronica, viene utilizzato per l’estrazione della luce dai diodi OLED, la generazione ottica di celle solari a film sottile, gli strati di perovskite e i fotodiodi multistrato. In tutti i casi in cui il dispositivo può essere approssimato in modo accurato con una struttura planare e la coerenza tra gli strati è importante, il metodo della matrice di trasferimento offre una soluzione potente ed efficiente.Il metodo della matrice di trasferimento può essere utilizzato per risolvere un’ampia gamma di problemi di ottica ondulatoria monodimensionale. Nell’ottica dei film sottili, è ideale per rivestimenti antiriflesso, specchi di Bragg, filtri ottici e strutture a cavità. Nell’optoelettronica, viene utilizzato per l’estrazione della luce dai diodi OLED, la generazione ottica di celle solari a film sottile, gli strati di perovskite e i fotodiodi multistrato. In tutti i casi in cui il dispositivo può essere approssimato in modo accurato con una struttura planare e la coerenza tra gli strati è importante, il metodo della matrice di trasferimento offre una soluzione potente ed efficiente.
Poiché questo metodo richiede una potenza di calcolo inferiore rispetto ai metodi che analizzano l’intero campo, è particolarmente utile per misurare lo spessore degli strati, testare diversi materiali e comprendere rapidamente le tendenze di progettazione. Pertanto, può essere utilizzato sia come strumento pratico per la progettazione sia come metodo per sviluppare una comprensione intuitiva dei fenomeni di interferenza nelle pellicole sottili utilizzate nei dispositivi multistrato.Poiché questo metodo richiede una potenza di calcolo inferiore rispetto ai metodi che analizzano l’intero campo, è particolarmente utile per misurare lo spessore degli strati, testare diversi materiali e comprendere rapidamente le tendenze di progettazione. Pertanto, può essere utilizzato sia come strumento pratico per la progettazione sia come metodo per sviluppare una comprensione intuitiva dei fenomeni di interferenza nelle pellicole sottili utilizzate nei dispositivi multistrato.
OghmaNano include diversi tutorial che illustrano come utilizzare il metodo della matrice di trasferimento nella risoluzione di problemi pratici relativi ai dispositivi. Questi esempi guidano l’utente, partendo dalle basi dell’ottica multistrato, fino alle simulazioni elettro-ottiche accoppiate.OghmaNano include diversi tutorial che illustrano come utilizzare il metodo della matrice di trasferimento nella risoluzione di problemi pratici relativi ai dispositivi. Questi esempi guidano l’utente, partendo dalle basi dell’ottica multistrato, fino alle simulazioni elettro-ottiche accoppiate.
Alcuni utili punti di partenza sono rappresentati dai seguenti materiali: tutorial sui filtri ottici, tutorial sull’ottica coerente dei film sottili OLED, tutorial sull’assorbimento ottico dei perovskiti e tutorial sulle celle solari organiche. Considerati nel loro insieme, questi esempi dimostrano come lo stesso strumento di calcolo possa essere utilizzato per l’analisi della riflessione e della trasmissione, per lo studio delle emissioni modificate da cavità, per la generazione ottica, per l’analisi degli spettri EQE e per la previsione del colore.Alcuni utili punti di partenza sono rappresentati dai seguenti materiali: tutorial sui filtri ottici, tutorial sull’ottica coerente dei film sottili OLED, tutorial sull’assorbimento ottico dei perovskiti e tutorial sulle celle solari organiche. Considerati nel loro insieme, questi esempi dimostrano come lo stesso strumento di calcolo possa essere utilizzato per l’analisi della riflessione e della trasmissione, per lo studio delle emissioni modificate da cavità, per la generazione ottica, per l’analisi degli spettri EQE e per la previsione del colore.
Proviamo con un esempio che utilizza la matrice di trasferimento.Proviamo con un esempio che utilizza la matrice di trasferimento.
Iniziate con il tutorial sui filtri ottici per una rapida introduzione all’interferenza a più strati, quindi proseguite con l’ottica delle celle solari a film sottile o l’ottica coerente dei film sottili OLED.Iniziate con il tutorial sui filtri ottici per una rapida introduzione all’interferenza a più strati, quindi proseguite con l’ottica delle celle solari a film sottile o l’ottica coerente dei film sottili OLED.
Questi esempi illustrano come definire una struttura a strati, calcolare la distribuzione interna dei fotoni e collegare direttamente l’ottica coerente alle prestazioni del dispositivo.Questi esempi illustrano come definire una struttura a strati, calcolare la distribuzione interna dei fotoni e collegare direttamente l’ottica coerente alle prestazioni del dispositivo.