Parte A: Simulazione di dispositivi OLED – ottica coerente di film sottiliParte A: Simulazione di dispositivi OLED – ottica coerente di film sottili

1. Panoramica sulla simulazione dei display OLED1. Panoramica sulla simulazione dei display OLED

I diodi organici a emissione di luce (OLED) sono ampiamente utilizzati nelle moderne tecnologie di visualizzazione e illuminazione, e le loro prestazioni dipendono in modo significativo dai processi elettrici e ottici che avvengono all’interno del dispositivo. In un OLED, le cariche vengono iniettate dagli elettrodi in sottili film organici, dove la ricombinazione radiativa produce luce tramite elettroluminescenza. In OghmaNano, la simulazione dei dispositivi OLED viene eseguita combinando la modellazione del trasporto di carica basata sulla deriva e sulla diffusione con modelli ottici, consentendo di trattare in modo coerente sia il flusso di corrente che la generazione di luce.I diodi organici a emissione di luce (OLED) sono ampiamente utilizzati nelle moderne tecnologie di visualizzazione e illuminazione, e le loro prestazioni dipendono in modo significativo dai processi elettrici e ottici che avvengono all’interno del dispositivo. In un OLED, le cariche vengono iniettate dagli elettrodi in sottili film organici, dove la ricombinazione radiativa produce luce tramite elettroluminescenza. In OghmaNano, la simulazione dei dispositivi OLED viene eseguita combinando la modellazione del trasporto di carica basata sulla deriva e sulla diffusione con modelli ottici, consentendo di trattare in modo coerente sia il flusso di corrente che la generazione di luce.

In questo tutorial, presentiamo una simulazione passo passo di un dispositivo OLED in OghmaNano, utilizzando una struttura a singolo strato emissivo (single-EML). Il comportamento elettrico viene risolto in modo autoconsistente utilizzando le equazioni di deriva-diffusione, mentre la risposta ottica viene modellata utilizzando il metodo della matrice di trasferimento (TMM). Il metodo della matrice di trasferimento considera la luce come un’onda coerente e fornisce una descrizione ottica rigorosa dei fenomeni di propagazione, riflessione e interferenza all’interno della struttura OLED multistrato.In questo tutorial, presentiamo una simulazione passo passo di un dispositivo OLED in OghmaNano, utilizzando una struttura a singolo strato emissivo (single-EML). Il comportamento elettrico viene risolto in modo autoconsistente utilizzando le equazioni di deriva-diffusione, mentre la risposta ottica viene modellata utilizzando il metodo della matrice di trasferimento (TMM). Il metodo della matrice di trasferimento considera la luce come un’onda coerente e fornisce una descrizione ottica rigorosa dei fenomeni di propagazione, riflessione e interferenza all’interno della struttura OLED multistrato.

Questo modello ottico coerente si adatta particolarmente bene a strutture OLED planari e uniformi, come i film sottili ottenuti tramite evaporazione, in cui gli effetti delle microcavità e le interferenze dei film sottili svolgono un ruolo fondamentale. Se combinato con la simulazione elettrica, il modello consente di calcolare direttamente le caratteristiche corrente-tensione, l’efficienza quantica esterna (EQE) in funzione della tensione, gli spettri di emissione e le grandezze correlate al colore, riproducendo la fisica essenziale dell’accoppiamento elettro-ottico negli OLED.Questo modello ottico coerente si adatta particolarmente bene a strutture OLED planari e uniformi, come i film sottili ottenuti tramite evaporazione, in cui gli effetti delle microcavità e le interferenze dei film sottili svolgono un ruolo fondamentale. Se combinato con la simulazione elettrica, il modello consente di calcolare direttamente le caratteristiche corrente-tensione, l’efficienza quantica esterna (EQE) in funzione della tensione, gli spettri di emissione e le grandezze correlate al colore, riproducendo la fisica essenziale dell’accoppiamento elettro-ottico negli OLED.

2. Creazione di una nuova simulazione2. Creazione di una nuova simulazione

Per iniziare, apra la simulazione di esempio OLED (TMM) facendo doppio clic sull’icona nella finestra «Nuova simulazione». In questo modo si aprirà l’interfaccia principale mostrata in ??, dove saranno visualizzati lo schema del dispositivo e i relativi pannelli di modifica.Per iniziare, apra la simulazione di esempio OLED (TMM) facendo doppio clic sull’icona nella finestra «Nuova simulazione». In questo modo si aprirà l’interfaccia principale mostrata in ??, dove saranno visualizzati lo schema del dispositivo e i relativi pannelli di modifica.

3. Analisi di simulazioni basate esclusivamente sull’ottica3. Analisi di simulazioni basate esclusivamente sull’ottica

Una delle principali sfide nella progettazione dei display OLED consiste nel determinare quanta della luce generata all’interno del dispositivo viene effettivamente emessa nello spazio circostante. Una parte significativa dei fotoni rimane intrappolata all’interno della struttura a strati o viene assorbita prima di poter contribuire all’emissione utile. Il metodo della matrice di trasferimento (TMM) fornisce un quadro quantitativo per analizzare come l’interferenza all’interno dello strato sottile ridistribuisce la potenza ottica e come le variazioni nello spessore dello strato o nell’indice di rifrazione influenzano la frazione di luce che viene emessa.Una delle principali sfide nella progettazione dei display OLED consiste nel determinare quanta della luce generata all’interno del dispositivo viene effettivamente emessa nello spazio circostante. Una parte significativa dei fotoni rimane intrappolata all’interno della struttura a strati o viene assorbita prima di poter contribuire all’emissione utile. Il metodo della matrice di trasferimento (TMM) fornisce un quadro quantitativo per analizzare come l’interferenza all’interno dello strato sottile ridistribuisce la potenza ottica e come le variazioni nello spessore dello strato o nell’indice di rifrazione influenzano la frazione di luce che viene emessa.

Per accedere agli strumenti ottici, passare alla scheda «Ottica» (??) e fare clic sul pulsante «Uscita ottica». Si aprirà lo strumento «Uscita ottica», mostrato in ??, dove è possibile eseguire calcoli basati sulla matrice di trasferimento in modo indipendente dal risolutore elettrico.Per accedere agli strumenti ottici, passare alla scheda «Ottica» (??) e fare clic sul pulsante «Uscita ottica». Si aprirà lo strumento «Uscita ottica», mostrato in ??, dove è possibile eseguire calcoli basati sulla matrice di trasferimento in modo indipendente dal risolutore elettrico.

Per avviare il calcolo, fare clic sul pulsante di avvio. La simulazione calcola la distribuzione spaziale e spettrale dei fotoni emessi all’interno dello strato OLED. Il grafico risultante, ??, mostra la probabilità di emissione in funzione della lunghezza d’onda (asse verticale) e della posizione all’interno del dispositivo (asse orizzontale). Le aree più chiare indicano le combinazioni di lunghezza d’onda di emissione e profondità in cui i fotoni hanno un’alta probabilità di essere emessi all’esterno, mentre le aree più scure corrispondono alla luce che rimane intrappolata all’interno della struttura.Per avviare il calcolo, fare clic sul pulsante di avvio. La simulazione calcola la distribuzione spaziale e spettrale dei fotoni emessi all’interno dello strato OLED. Il grafico risultante, ??, mostra la probabilità di emissione in funzione della lunghezza d’onda (asse verticale) e della posizione all’interno del dispositivo (asse orizzontale). Le aree più chiare indicano le combinazioni di lunghezza d’onda di emissione e profondità in cui i fotoni hanno un’alta probabilità di essere emessi all’esterno, mentre le aree più scure corrispondono alla luce che rimane intrappolata all’interno della struttura.

Le bande alternate visibili in questo grafico derivano dall’interferenza costruttiva e distruttiva tra le onde ottiche che si propagano in avanti e all’indietro all’interno della microcavità OLED. Questo comportamento è direttamente analogo ai modelli di onde stazionarie osservati in una vasca a onde (??), dove le riflessioni sui bordi provocano l’interferenza delle onde, generando regioni in cui l’ampiezza delle onde è maggiore o minore. Nell’OLED, le stesse leggi fisiche che regolano le onde determinano come l’energia ottica viene ridistribuita all’interno della struttura, dando origine al caratteristico schema di interferenza visibile nella mappa della probabilità di emissione.Le bande alternate visibili in questo grafico derivano dall’interferenza costruttiva e distruttiva tra le onde ottiche che si propagano in avanti e all’indietro all’interno della microcavità OLED. Questo comportamento è direttamente analogo ai modelli di onde stazionarie osservati in una vasca a onde (??), dove le riflessioni sui bordi provocano l’interferenza delle onde, generando regioni in cui l’ampiezza delle onde è maggiore o minore. Nell’OLED, le stesse leggi fisiche che regolano le onde determinano come l’energia ottica viene ridistribuita all’interno della struttura, dando origine al caratteristico schema di interferenza visibile nella mappa della probabilità di emissione.

Queste simulazioni, basate esclusivamente sull’ottica, forniscono informazioni dirette su come la microcavità a strati influenza l’emissione e offrono indicazioni pratiche per ottimizzare lo spessore degli strati e le lunghezze d’onda dell’emissione, prima di procedere a una modellazione completa che tenga conto dell’interazione tra i componenti elettrici e ottici.Queste simulazioni, basate esclusivamente sull’ottica, forniscono informazioni dirette su come la microcavità a strati influenza l’emissione e offrono indicazioni pratiche per ottimizzare lo spessore degli strati e le lunghezze d’onda dell’emissione, prima di procedere a una modellazione completa che tenga conto dell’interazione tra i componenti elettrici e ottici.

3. Simulazioni elettriche combinate con calcoli basati sulla matrice di trasferimento ottica.3. Simulazioni elettriche combinate con calcoli basati sulla matrice di trasferimento ottica.

Ora che avete esplorato l’accoppiamento ottico tramite il metodo della matrice di trasferimento (TMM), potete combinarlo con la modellazione a deriva-diffusione per capire come un OLED emette luce in funzione della corrente e della tensione. In queste simulazioni combinate, il profilo di ricombinazione ottenuto dal calcolo a deriva-diffusione fornisce la sorgente emissiva, che viene poi integrata nel modello di accoppiamento ottico. La simulazione esegue innanzitutto un calcolo di accoppiamento ottico, come descritto in precedenza, e quindi esegue una simulazione standard di deriva-diffusione per generare la curva caratteristica corrente-tensione (JV). L’utente deve tornare all’interfaccia principale e premere il pulsante Esegui simulazione (▶) per avviare il calcolo completo. I risultati della simulazione elettro-ottica combinata vengono salvati nella scheda Output e vengono visualizzati come mostrato in ??.Ora che avete esplorato l’accoppiamento ottico tramite il metodo della matrice di trasferimento (TMM), potete combinarlo con la modellazione a deriva-diffusione per capire come un OLED emette luce in funzione della corrente e della tensione. In queste simulazioni combinate, il profilo di ricombinazione ottenuto dal calcolo a deriva-diffusione fornisce la sorgente emissiva, che viene poi integrata nel modello di accoppiamento ottico. La simulazione esegue innanzitutto un calcolo di accoppiamento ottico, come descritto in precedenza, e quindi esegue una simulazione standard di deriva-diffusione per generare la curva caratteristica corrente-tensione (JV). L’utente deve tornare all’interfaccia principale e premere il pulsante Esegui simulazione (▶) per avviare il calcolo completo. I risultati della simulazione elettro-ottica combinata vengono salvati nella scheda Output e vengono visualizzati come mostrato in ??.

Key files produced by the OLED simulation.

Nome del fileNome del file	DescrizioneDescrizione
iv.csviv.csv	Corrente rispetto alla tensioneCorrente rispetto alla tensione
jv.csvjv.csv	Densità di corrente in funzione della tensione.Densità di corrente in funzione della tensione.
jl.csvjl.csv	Densità di corrente rispetto alla densità di potenza ottica in uscitaDensità di corrente rispetto alla densità di potenza ottica in uscita
k.csvk.csv	Valore medio della costante di velocità di ricombinazione in funzione della tensione.Valore medio della costante di velocità di ricombinazione in funzione della tensione.
v_eqe.csvv_eqe.csv	Tensione in funzione dell’efficienza quantica esterna (EQE)Tensione in funzione dell’efficienza quantica esterna (EQE)
vl.csvvl.csv	Tensione rispetto alla densità di potenza ottica in uscitaTensione rispetto alla densità di potenza ottica in uscita
v_cd_a.csvv_cd_a.csv	Efficienza luminosa (cd A⁻¹) in funzione della tensione.Efficienza luminosa (cd A⁻¹) in funzione della tensione.
v_cd_m2.csvv_cd_m2.csv	Luminosità (cd/m²) in funzione della tensione.Luminosità (cd/m²) in funzione della tensione.
sweep/sweep/	Valori, ad esempio (mobilità, coordinate CIE X/Y/Z, densità di portatori in funzione della tensione).Valori, ad esempio (mobilità, coordinate CIE X/Y/Z, densità di portatori in funzione della tensione).
Snapshots/Snapshots/	Valori dei parametri del dispositivo elettrico registrati in ogni fase della simulazione.Valori dei parametri del dispositivo elettrico registrati in ogni fase della simulazione.

La simulazione genera diversi file di output che vengono salvati nella scheda «Output». Questi file contengono i principali risultati numerici della simulazione combinata ottica ed elettrica dell’OLED e possono essere utilizzati per ulteriori analisi o per la creazione di grafici. I file più importanti sono descritti di seguito in Tabella 7.1.La simulazione genera diversi file di output che vengono salvati nella scheda «Output». Questi file contengono i principali risultati numerici della simulazione combinata ottica ed elettrica dell’OLED e possono essere utilizzati per ulteriori analisi o per la creazione di grafici. I file più importanti sono descritti di seguito in Tabella 7.1.

Le principali caratteristiche di funzionamento della simulazione OLED elettrica-ottica accoppiata sono illustrate nelle figure ??, ?? e ??. La curva della densità di corrente in funzione della tensione (jv.csv) mostra il comportamento elettrico del dispositivo all’avvio. La curva della tensione in funzione della luminanza (v_cd_m2.csv) converte l’emissione ottica simulata in unità rilevanti per la visualizzazione (cd m−2), illustrando come la luminosità aumenti rapidamente una volta stabilita una ricombinazione efficiente. Infine, la curva della tensione in funzione dell’efficienza quantica esterna (v_eqe.csv) mostra l’inizio della generazione di luce all’avvio e, in questo esempio, un’efficienza quasi costante una volta che il dispositivo opera nel suo regime di emissione.Le principali caratteristiche di funzionamento della simulazione OLED elettrica-ottica accoppiata sono illustrate nelle figure ??, ?? e ??. La curva della densità di corrente in funzione della tensione (jv.csv) mostra il comportamento elettrico del dispositivo all’avvio. La curva della tensione in funzione della luminanza (v_cd_m2.csv) converte l’emissione ottica simulata in unità rilevanti per la visualizzazione (cd m−2), illustrando come la luminosità aumenti rapidamente una volta stabilita una ricombinazione efficiente. Infine, la curva della tensione in funzione dell’efficienza quantica esterna (v_eqe.csv) mostra l’inizio della generazione di luce all’avvio e, in questo esempio, un’efficienza quasi costante una volta che il dispositivo opera nel suo regime di emissione.

4. In che modo viene prodotta la luce all’interno del dispositivo?4. In che modo viene prodotta la luce all’interno del dispositivo?

In un display OLED, la luce viene generata attraverso la ricombinazione radiativa di elettroni liberi e lacune all’interno dello strato emissivo. Gli elettroni iniettati dal catodo e le lacune iniettate dall’anodo vengono trasportati attraverso il dispositivo fino a quando le loro distribuzioni spaziali non si sovrappongono, momento in cui può avvenire la ricombinazione e può essere emesso un fotone.In un display OLED, la luce viene generata attraverso la ricombinazione radiativa di elettroni liberi e lacune all’interno dello strato emissivo. Gli elettroni iniettati dal catodo e le lacune iniettate dall’anodo vengono trasportati attraverso il dispositivo fino a quando le loro distribuzioni spaziali non si sovrappongono, momento in cui può avvenire la ricombinazione e può essere emesso un fotone.

La struttura a strati del dispositivo è definita nell’editor di strati, mostrato in ??. Gli strati che partecipano al trasporto e alla ricombinazione di carica sono contrassegnati esplicitamente come elettricamente attivi in questo editor, mentre i contatti e gli strati otticamente passivi sono esclusi dalla simulazione elettrica. Nel dispositivo in questione, solo lo strato centrale di Alq3 è configurato come strato emissivo, garantendo che la ricombinazione radiativa sia confinata a questa regione.La struttura a strati del dispositivo è definita nell’editor di strati, mostrato in ??. Gli strati che partecipano al trasporto e alla ricombinazione di carica sono contrassegnati esplicitamente come elettricamente attivi in questo editor, mentre i contatti e gli strati otticamente passivi sono esclusi dalla simulazione elettrica. Nel dispositivo in questione, solo lo strato centrale di Alq3 è configurato come strato emissivo, garantendo che la ricombinazione radiativa sia confinata a questa regione.

La velocità di ricombinazione radiativa locale è proporzionale al prodotto delle densità dei portatori di carica liberi e si esprime come:La velocità di ricombinazione radiativa locale è proporzionale al prodotto delle densità dei portatori di carica liberi e si esprime come:

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

In questo caso, \(n\) e \(p\) indicano rispettivamente la densità degli elettroni liberi e dei portatori di carica positivi, mentre \(k\) è il coefficiente di ricombinazione radiativa. Questa espressione garantisce che la ricombinazione sia nulla all’equilibrio e che aumenti quando l’iniezione di portatori di carica spinge il sistema fuori dall’equilibrio, in presenza di una tensione applicata.In questo caso, \(n\) e \(p\) indicano rispettivamente la densità degli elettroni liberi e dei portatori di carica positivi, mentre \(k\) è il coefficiente di ricombinazione radiativa. Questa espressione garantisce che la ricombinazione sia nulla all’equilibrio e che aumenti quando l’iniezione di portatori di carica spinge il sistema fuori dall’equilibrio, in presenza di una tensione applicata.

I parametri elettrici che regolano il trasporto e la ricombinazione delle cariche sono definiti nell’editor dei parametri elettrici, accessibile dalla scheda «Dispositivo» nella finestra principale. I parametri utilizzati per il dispositivo in questione sono illustrati in ??, ?? e ??, e si riferiscono rispettivamente allo strato di trasporto delle lacune (HTL), allo strato emissivo (EML) e allo strato di trasporto degli elettroni (ETL).I parametri elettrici che regolano il trasporto e la ricombinazione delle cariche sono definiti nell’editor dei parametri elettrici, accessibile dalla scheda «Dispositivo» nella finestra principale. I parametri utilizzati per il dispositivo in questione sono illustrati in ??, ?? e ??, e si riferiscono rispettivamente allo strato di trasporto delle lacune (HTL), allo strato emissivo (EML) e allo strato di trasporto degli elettroni (ETL).

Questi valori definiscono la mobilità delle cariche, la densità effettiva degli stati, i parametri elettrostatici e le costanti di ricombinazione utilizzati nelle equazioni di deriva-diffusione. In questo esempio, la ricombinazione radiativa è abilitata solo nello strato emissivo di Alq3, mentre gli strati di trasporto servono principalmente a iniettare e confinare le cariche. Nel complesso, questi parametri controllano dove si accumulano le cariche, dove avviene la ricombinazione e, in definitiva, la distribuzione spaziale della generazione di luce all’interno del dispositivo.Questi valori definiscono la mobilità delle cariche, la densità effettiva degli stati, i parametri elettrostatici e le costanti di ricombinazione utilizzati nelle equazioni di deriva-diffusione. In questo esempio, la ricombinazione radiativa è abilitata solo nello strato emissivo di Alq3, mentre gli strati di trasporto servono principalmente a iniettare e confinare le cariche. Nel complesso, questi parametri controllano dove si accumulano le cariche, dove avviene la ricombinazione e, in definitiva, la distribuzione spaziale della generazione di luce all’interno del dispositivo.

Durante la simulazione, OghmaNano crea automaticamente una directory denominata «snapshots» nella cartella di output (vedere ??). La directory «snapshots» contiene le grandezze elettriche e ottiche registrate in ogni fase della simulazione, che in questo esempio corrispondono alla tensione applicata. Oltre ai risultati a livello di dispositivo, le «snapshots» includono le variabili interne del risolutore, espresse in funzione della posizione all’interno del dispositivo, come i livelli di quasi-Fermi e le densità di portatori liberi. Vengono inoltre registrate le grandezze derivate e i risultati osservabili, tra cui l’efficienza quantica esterna (EQE), consentendo di analizzare in modo coerente sia la fisica interna del dispositivo sia le grandezze misurate esternamente.Durante la simulazione, OghmaNano crea automaticamente una directory denominata «snapshots» nella cartella di output (vedere ??). La directory «snapshots» contiene le grandezze elettriche e ottiche registrate in ogni fase della simulazione, che in questo esempio corrispondono alla tensione applicata. Oltre ai risultati a livello di dispositivo, le «snapshots» includono le variabili interne del risolutore, espresse in funzione della posizione all’interno del dispositivo, come i livelli di quasi-Fermi e le densità di portatori liberi. Vengono inoltre registrate le grandezze derivate e i risultati osservabili, tra cui l’efficienza quantica esterna (EQE), consentendo di analizzare in modo coerente sia la fisica interna del dispositivo sia le grandezze misurate esternamente.

Aprire la cartella degli screenshot per avviare il visualizzatore degli screenshot facendo doppio clic su di essa. Si aprirà la finestra mostrata in ??. Utilizzando il pulsante blu +, è possibile aggiungere una nuova linea di grafico e selezionare il file corrispondente (ad esempio Q_nfree.csv, Q_pfree.csv o R_nfree_to_pfree.csv). Muovendo il cursore da sinistra a destra, la quantità rappresentata nel grafico si aggiorna per ogni fase della simulazione, consentendo di osservare l’evoluzione delle densità di carica e del processo di ricombinazione in funzione della tensione applicata.Aprire la cartella degli screenshot per avviare il visualizzatore degli screenshot facendo doppio clic su di essa. Si aprirà la finestra mostrata in ??. Utilizzando il pulsante blu +, è possibile aggiungere una nuova linea di grafico e selezionare il file corrispondente (ad esempio Q_nfree.csv, Q_pfree.csv o R_nfree_to_pfree.csv). Muovendo il cursore da sinistra a destra, la quantità rappresentata nel grafico si aggiorna per ogni fase della simulazione, consentendo di osservare l’evoluzione delle densità di carica e del processo di ricombinazione in funzione della tensione applicata.

A basse tension applicata, i profili della densità degli elettroni liberi e delle lacune sono mostrati in ??. All’aumentare della tensione, i corrispondenti profili evolvono fino a raggiungere la forma mostrata in ??. Pertanto, la distribuzione spaziale degli elettroni e delle lacune è notevolmente diversa a bassa e alta tensione, il che influisce sulla posizione (e sull’intensità) in cui i portatori di carica si sovrappongono nello strato emissivo.A basse tension applicata, i profili della densità degli elettroni liberi e delle lacune sono mostrati in ??. All’aumentare della tensione, i corrispondenti profili evolvono fino a raggiungere la forma mostrata in ??. Pertanto, la distribuzione spaziale degli elettroni e delle lacune è notevolmente diversa a bassa e alta tensione, il che influisce sulla posizione (e sull’intensità) in cui i portatori di carica si sovrappongono nello strato emissivo.

Le corrispondenti curve che rappresentano il processo di ricombinazione tra regioni libere sono mostrate nelle figure ?? (bassa tensione) e ?? (alta tensione). All’aumentare della polarizzazione, la zona di ricombinazione si sposta notevolmente e diventa più localizzata, il che indica che la regione principale di generazione della luce si è spostata all’interno del dispositivo.Le corrispondenti curve che rappresentano il processo di ricombinazione tra regioni libere sono mostrate nelle figure ?? (bassa tensione) e ?? (alta tensione). All’aumentare della polarizzazione, la zona di ricombinazione si sposta notevolmente e diventa più localizzata, il che indica che la regione principale di generazione della luce si è spostata all’interno del dispositivo.

5. Come convertire il tasso di ricombinazione in uno spettro di emissione5. Come convertire il tasso di ricombinazione in uno spettro di emissione

Nella sezione precedente, abbiamo visto che la concentrazione di elettroni liberi e di lacune all’interno del dispositivo varia notevolmente in funzione della tensione applicata. All’aumentare della tensione applicata, le variazioni nell’iniezione e nel trasporto delle cariche modificano la sovrapposizione spaziale degli elettroni e delle lacune, determinando un aumento della velocità di ricombinazione e uno spostamento della zona di ricombinazione all’interno del dispositivo. Ciò solleva naturalmente la questione di come una velocità di ricombinazione variabile nello spazio venga convertita in uno spettro ottico emesso all’interno del modello.Nella sezione precedente, abbiamo visto che la concentrazione di elettroni liberi e di lacune all’interno del dispositivo varia notevolmente in funzione della tensione applicata. All’aumentare della tensione applicata, le variazioni nell’iniezione e nel trasporto delle cariche modificano la sovrapposizione spaziale degli elettroni e delle lacune, determinando un aumento della velocità di ricombinazione e uno spostamento della zona di ricombinazione all’interno del dispositivo. Ciò solleva naturalmente la questione di come una velocità di ricombinazione variabile nello spazio venga convertita in uno spettro ottico emesso all’interno del modello.

In OghmaNano, uno dei modi in cui questo viene realizzato è attraverso l’utilizzo di uno spettro di emissione misurato sperimentalmente, definito nel database dei materiali. Lo spettro di emissione intrinseco del materiale emittente è mostrato in ??. Questo spettro definisce la distribuzione delle lunghezze d’onda dei fotoni generati tramite ricombinazione radiativa, prima dell’applicazione degli effetti della cavità ottica e del meccanismo di estrazione della luce, ed è stato misurato sperimentalmente.In OghmaNano, uno dei modi in cui questo viene realizzato è attraverso l’utilizzo di uno spettro di emissione misurato sperimentalmente, definito nel database dei materiali. Lo spettro di emissione intrinseco del materiale emittente è mostrato in ??. Questo spettro definisce la distribuzione delle lunghezze d’onda dei fotoni generati tramite ricombinazione radiativa, prima dell’applicazione degli effetti della cavità ottica e del meccanismo di estrazione della luce, ed è stato misurato sperimentalmente.

Lo spettro di emissione utilizzato dal dispositivo viene selezionato nell’editor di luminescenza, mostrato in ??, a cui si può accedere tramite i parametri di emissione nella scheda relativa alla struttura del dispositivo nella finestra principale. In questo esempio, lo spettro di emissione è impostato su small_molecules/Alq3, che corrisponde allo spettro di emissione misurato sperimentalmente di Alq3. Il pulsante con i tre puntini accanto al percorso del materiale consente di modificare il materiale emittente.Lo spettro di emissione utilizzato dal dispositivo viene selezionato nell’editor di luminescenza, mostrato in ??, a cui si può accedere tramite i parametri di emissione nella scheda relativa alla struttura del dispositivo nella finestra principale. In questo esempio, lo spettro di emissione è impostato su small_molecules/Alq3, che corrisponde allo spettro di emissione misurato sperimentalmente di Alq3. Il pulsante con i tre puntini accanto al percorso del materiale consente di modificare il materiale emittente.

Nell’editor della luminescenza viene inoltre visualizzata l’efficienza di emissione sperimentale. Nell’esempio attuale, questo valore è impostato a 0,25, il che significa che solo il 25% degli eventi di ricombinazione elettrone-lacuna produce l’emissione di fotoni. Questo riflette le statistiche di spin degli eccitoni generati elettricamente negli OLED fluorescenti, dove solo gli eccitoni a singoletto sono in grado di emettere radiazione.Nell’editor della luminescenza viene inoltre visualizzata l’efficienza di emissione sperimentale. Nell’esempio attuale, questo valore è impostato a 0,25, il che significa che solo il 25% degli eventi di ricombinazione elettrone-lacuna produce l’emissione di fotoni. Questo riflette le statistiche di spin degli eccitoni generati elettricamente negli OLED fluorescenti, dove solo gli eccitoni a singoletto sono in grado di emettere radiazione.

Sotto stimolazione elettrica, la ricombinazione produce stati eccitati singoli e a tripletto in un rapporto di 1:3, in modo che solo un quarto degli eventi di ricombinazione genera stati singoli radiativi, mentre i rimanenti tripletto non sono radiativi. Di conseguenza, anche in assenza di perdite ottiche o elettriche, l’efficienza quantica interna è fondamentalmente limitata al 25% in questo modello. Questa è la ragione principale per cui l’efficienza quantica esterna (EQE) e l’efficienza quantica esterna risolta per sito nell’esempio di dispositivo considerato rimangono relativamente basse.Sotto stimolazione elettrica, la ricombinazione produce stati eccitati singoli e a tripletto in un rapporto di 1:3, in modo che solo un quarto degli eventi di ricombinazione genera stati singoli radiativi, mentre i rimanenti tripletto non sono radiativi. Di conseguenza, anche in assenza di perdite ottiche o elettriche, l’efficienza quantica interna è fondamentalmente limitata al 25% in questo modello. Questa è la ragione principale per cui l’efficienza quantica esterna (EQE) e l’efficienza quantica esterna risolta per sito nell’esempio di dispositivo considerato rimangono relativamente basse.

Nel modello ottico, la velocità locale di ricombinazione radiativa determina il numero di coppie elettrone-lacuna che si ricombinano, mentre l’efficienza di emissione controlla la frazione di questi eventi che genera fotoni. La velocità di generazione dei fotoni risultante viene quindi distribuita sulle diverse lunghezze d’onda in base allo spettro di emissione selezionato del materiale.Nel modello ottico, la velocità locale di ricombinazione radiativa determina il numero di coppie elettrone-lacuna che si ricombinano, mentre l’efficienza di emissione controlla la frazione di questi eventi che genera fotoni. La velocità di generazione dei fotoni risultante viene quindi distribuita sulle diverse lunghezze d’onda in base allo spettro di emissione selezionato del materiale.

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

In questo caso, \(R\) rappresenta la velocità locale di ricombinazione radiativa ottenuta dal risolutore che utilizza il modello di deriva-diffusione, \(\eta\) è l’efficienza di emissione (impostata a 0,25 in questo esempio per tenere conto della formazione di stati singoli) e \(S(\lambda)\) è lo spettro di emissione normalizzato, memorizzato nel database dei materiali.In questo caso, \(R\) rappresenta la velocità locale di ricombinazione radiativa ottenuta dal risolutore che utilizza il modello di deriva-diffusione, \(\eta\) è l’efficienza di emissione (impostata a 0,25 in questo esempio per tenere conto della formazione di stati singoli) e \(S(\lambda)\) è lo spettro di emissione normalizzato, memorizzato nel database dei materiali.

I modelli OLED più avanzati possono gestire esplicitamente diverse popolazioni di stati eccitati, compresi i singoli stati di singoletto e tripletto presenti nel materiale emettente, e descrivere il processo di generazione della luce tramite un’equazione che tiene conto della velocità dei fotoni. Questi modelli sono destinati principalmente all’uso in ambito di ricerca, dove si studiano in dettaglio le dinamiche degli stati eccitati, piuttosto che all’ottimizzazione di routine dei dispositivi. L’implementazione di questi modelli di stati eccitati in OghmaNano è descritta in Stati eccitati e processi di emissione.I modelli OLED più avanzati possono gestire esplicitamente diverse popolazioni di stati eccitati, compresi i singoli stati di singoletto e tripletto presenti nel materiale emettente, e descrivere il processo di generazione della luce tramite un’equazione che tiene conto della velocità dei fotoni. Questi modelli sono destinati principalmente all’uso in ambito di ricerca, dove si studiano in dettaglio le dinamiche degli stati eccitati, piuttosto che all’ottimizzazione di routine dei dispositivi. L’implementazione di questi modelli di stati eccitati in OghmaNano è descritta in Stati eccitati e processi di emissione.

6. Analisi della luminescenza, dell’efficienza quantica esterna e del colore in funzione della tensione.6. Analisi della luminescenza, dell’efficienza quantica esterna e del colore in funzione della tensione.

Una caratteristica distintiva di molti OLED è che il colore emesso varia in base alla tensione applicata, anche quando il materiale emissivo stesso rimane invariato. All’aumentare della polarizzazione, l’iniezione di portatori modifica la sovrapposizione spaziale di elettroni e lacune, determinando lo spostamento della zona di ricombinazione all’interno del dispositivo. Poiché lo strato OLED funge da cavità ottica, diverse posizioni all’interno della cavità favoriscono l’estrazione di diverse lunghezze d’onda. La ricombinazione che avviene più vicino a un’interfaccia può favorire l’emissione di lunghezze d’onda più corte, mentre la ricombinazione in altre zone può favorire lunghezze d’onda più lunghe. Poiché la zona di ricombinazione si sposta in base alla tensione, la cavità seleziona quindi diverse parti dello spettro di emissione, determinando direttamente una variazione del colore in funzione della tensione.Una caratteristica distintiva di molti OLED è che il colore emesso varia in base alla tensione applicata, anche quando il materiale emissivo stesso rimane invariato. All’aumentare della polarizzazione, l’iniezione di portatori modifica la sovrapposizione spaziale di elettroni e lacune, determinando lo spostamento della zona di ricombinazione all’interno del dispositivo. Poiché lo strato OLED funge da cavità ottica, diverse posizioni all’interno della cavità favoriscono l’estrazione di diverse lunghezze d’onda. La ricombinazione che avviene più vicino a un’interfaccia può favorire l’emissione di lunghezze d’onda più corte, mentre la ricombinazione in altre zone può favorire lunghezze d’onda più lunghe. Poiché la zona di ricombinazione si sposta in base alla tensione, la cavità seleziona quindi diverse parti dello spettro di emissione, determinando direttamente una variazione del colore in funzione della tensione.

In un display OLED ben progettato, il colore emesso varia solo in minima parte in funzione della tensione applicata. Questo risultato si ottiene mantenendo la zona di ricombinazione confinata in una regione della cavità ottica in cui l’accoppiamento in uscita, dipendente dalla lunghezza d’onda, varia lentamente in funzione della posizione. In pratica, ciò significa spesso progettare la regione emissiva in modo che sia relativamente sottile, in modo che, anche se il profilo di ricombinazione si sposta leggermente in base alla polarizzazione, la cavità seleziona quasi le stesse lunghezze d’onda.In un display OLED ben progettato, il colore emesso varia solo in minima parte in funzione della tensione applicata. Questo risultato si ottiene mantenendo la zona di ricombinazione confinata in una regione della cavità ottica in cui l’accoppiamento in uscita, dipendente dalla lunghezza d’onda, varia lentamente in funzione della posizione. In pratica, ciò significa spesso progettare la regione emissiva in modo che sia relativamente sottile, in modo che, anche se il profilo di ricombinazione si sposta leggermente in base alla polarizzazione, la cavità seleziona quasi le stesse lunghezze d’onda.

In questo esempio, ci allontaniamo intenzionalmente dal regime ottimizzato per rendere più evidenti i principi fisici alla base del processo. Aumentando lo spessore dello strato emettitore di Alq3 a 100 nm nell’editor di livelli (vedere ??), creiamo un’area più ampia in cui può verificarsi la ricombinazione. Ciò consente lo sviluppo di variazioni marcate nella zona di ricombinazione, in funzione della tensione, facilitando l’osservazione di come le variazioni nell’iniezione e nel trasporto delle cariche si traducano in variazioni nella risposta della cavità ottica.In questo esempio, ci allontaniamo intenzionalmente dal regime ottimizzato per rendere più evidenti i principi fisici alla base del processo. Aumentando lo spessore dello strato emettitore di Alq3 a 100 nm nell’editor di livelli (vedere ??), creiamo un’area più ampia in cui può verificarsi la ricombinazione. Ciò consente lo sviluppo di variazioni marcate nella zona di ricombinazione, in funzione della tensione, facilitando l’osservazione di come le variazioni nell’iniezione e nel trasporto delle cariche si traducano in variazioni nella risposta della cavità ottica.

Dopo aver aggiornato lo spessore dello strato emissivo, riesegui la simulazione. Ora utilizza lo strumento di acquisizione immagini per visualizzare il grafico di eqe.csv e aggiungilo utilizzando il pulsante +. Il grafico mostra l’efficienza quantica esterna (EQE) in funzione della lunghezza d’onda per il valore di tensione attualmente selezionato. Variando il valore del cursore nell’intervallo di tensione, è possibile osservare come lo spettro dell’EQE si modifica man mano che la zona di ricombinazione si sposta all’interno della cavità e vengono estratte diverse lunghezze d’onda con diverse efficienze.Dopo aver aggiornato lo spessore dello strato emissivo, riesegui la simulazione. Ora utilizza lo strumento di acquisizione immagini per visualizzare il grafico di eqe.csv e aggiungilo utilizzando il pulsante +. Il grafico mostra l’efficienza quantica esterna (EQE) in funzione della lunghezza d’onda per il valore di tensione attualmente selezionato. Variando il valore del cursore nell’intervallo di tensione, è possibile osservare come lo spettro dell’EQE si modifica man mano che la zona di ricombinazione si sposta all’interno della cavità e vengono estratte diverse lunghezze d’onda con diverse efficienze.

È possibile utilizzare lo stesso flusso di lavoro per analizzare lo spettro di luminescenza dipendente dalla tensione. Aggiungere una linea al grafico per luminescence_lambda.csv e muovere il cursore per osservare come lo spettro di emissione si modifica in funzione della polarizzazione (vedere ?? e ??). Il colore utilizzato per rappresentare lo spettro corrisponde al colore percepito in uscita, ovvero al colore che un osservatore vedrebbe in quel determinato punto di funzionamento. All'aumentare della tensione, questa variazione è visibile direttamente nel grafico, poiché lo spettro rappresentato si sposta da un blu più chiaro a bassa polarizzazione a un blu più scuro ad alta polarizzazione, indicando una modifica del colore emesso.È possibile utilizzare lo stesso flusso di lavoro per analizzare lo spettro di luminescenza dipendente dalla tensione. Aggiungere una linea al grafico per luminescence_lambda.csv e muovere il cursore per osservare come lo spettro di emissione si modifica in funzione della polarizzazione (vedere ?? e ??). Il colore utilizzato per rappresentare lo spettro corrisponde al colore percepito in uscita, ovvero al colore che un osservatore vedrebbe in quel determinato punto di funzionamento. All'aumentare della tensione, questa variazione è visibile direttamente nel grafico, poiché lo spettro rappresentato si sposta da un blu più chiaro a bassa polarizzazione a un blu più scuro ad alta polarizzazione, indicando una modifica del colore emesso.

Infine, utilizzate lo stesso flusso di lavoro per l’analisi delle immagini per esaminare esplicitamente lo spettro EQE. Tracciate il grafico di eqe.csv e muovete il cursore della tensione per osservare come lo spettro EQE, che varia in funzione della lunghezza d’onda, cambia in base alla polarizzazione (vedere ??). In pratica, lo spettro di luminescenza e lo spettro EQE devono essere interpretati insieme: il grafico di luminescenza mostra cosa viene emesso, mentre il grafico EQE mostra quanto efficacemente ogni lunghezza d’onda viene estratta in ogni punto di funzionamento.Infine, utilizzate lo stesso flusso di lavoro per l’analisi delle immagini per esaminare esplicitamente lo spettro EQE. Tracciate il grafico di eqe.csv e muovete il cursore della tensione per osservare come lo spettro EQE, che varia in funzione della lunghezza d’onda, cambia in base alla polarizzazione (vedere ??). In pratica, lo spettro di luminescenza e lo spettro EQE devono essere interpretati insieme: il grafico di luminescenza mostra cosa viene emesso, mentre il grafico EQE mostra quanto efficacemente ogni lunghezza d’onda viene estratta in ogni punto di funzionamento.

7. Spazio cromatico CIE7. Spazio cromatico CIE

Gli spettri OLED vengono spesso ridotti a un insieme limitato di coordinate cromatiche percettive, in modo da poter valutare la stabilità del colore in funzione della polarizzazione. La rappresentazione più comune è il sistema CIE 1931, in cui uno spettro viene inizialmente convertito in valori di stimolazione tricolore \((X,Y,Z)\) utilizzando le funzioni di corrispondenza cromatica CIE, e quindi normalizzato in coordinate cromatiche \((x,y)\).Gli spettri OLED vengono spesso ridotti a un insieme limitato di coordinate cromatiche percettive, in modo da poter valutare la stabilità del colore in funzione della polarizzazione. La rappresentazione più comune è il sistema CIE 1931, in cui uno spettro viene inizialmente convertito in valori di stimolazione tricolore \((X,Y,Z)\) utilizzando le funzioni di corrispondenza cromatica CIE, e quindi normalizzato in coordinate cromatiche \((x,y)\).

Partendo da una distribuzione spettrale della potenza \(P(\lambda)\) (ad esempio, la potenza ottica emessa per unità di lunghezza d’onda), i valori di stimolazione tricolore CIE vengono calcolati ponderando \(P(\lambda)\) con le funzioni di corrispondenza cromatica \(\overline{x}(\lambda)\), \(\overline{y}(\lambda)\) e \(\overline{z}(\lambda)\):Partendo da una distribuzione spettrale della potenza \(P(\lambda)\) (ad esempio, la potenza ottica emessa per unità di lunghezza d’onda), i valori di stimolazione tricolore CIE vengono calcolati ponderando \(P(\lambda)\) con le funzioni di corrispondenza cromatica \(\overline{x}(\lambda)\), \(\overline{y}(\lambda)\) e \(\overline{z}(\lambda)\):

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

In questo caso, \(\overline{x}(\lambda)\), \(\overline{y}(\lambda)\) e \(\overline{z}(\lambda)\) descrivono la sensibilità spettrale standardizzata della visione umana, mentre la costante \(k\) rappresenta un fattore di scala complessivo (il cui valore specifico dipende da come viene definito \(P(\lambda)\) e dall’eventuale applicazione di una calibrazione fotometrica assoluta). Le corrispondenti coordinate cromatiche si ottengono quindi mediante normalizzazione:In questo caso, \(\overline{x}(\lambda)\), \(\overline{y}(\lambda)\) e \(\overline{z}(\lambda)\) descrivono la sensibilità spettrale standardizzata della visione umana, mentre la costante \(k\) rappresenta un fattore di scala complessivo (il cui valore specifico dipende da come viene definito \(P(\lambda)\) e dall’eventuale applicazione di una calibrazione fotometrica assoluta). Le corrispondenti coordinate cromatiche si ottengono quindi mediante normalizzazione:

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

Le coordinate \((x,y)\) rappresentano la cromaticità (tonalità/saturazione) e sono in gran parte indipendenti dalla luminosità assoluta, il che è utile per distinguere l’intensità luminosa dell’OLED dal colore che effettivamente emette. In OghmaNano, i valori CIE vengono calcolati a partire dallo spettro di emissione simulato per ogni gradino di tensione e salvati nel file di output, in modo da poter rappresentare graficamente la variazione del colore in relazione al punto di funzionamento elettrico. Per visualizzare questi file di output, fare doppio clic sulla directory sweep/ nella scheda Output per aprire il visualizzatore di output (??).Le coordinate \((x,y)\) rappresentano la cromaticità (tonalità/saturazione) e sono in gran parte indipendenti dalla luminosità assoluta, il che è utile per distinguere l’intensità luminosa dell’OLED dal colore che effettivamente emette. In OghmaNano, i valori CIE vengono calcolati a partire dallo spettro di emissione simulato per ogni gradino di tensione e salvati nel file di output, in modo da poter rappresentare graficamente la variazione del colore in relazione al punto di funzionamento elettrico. Per visualizzare questi file di output, fare doppio clic sulla directory sweep/ nella scheda Output per aprire il visualizzatore di output (??).

I grafici riportati sopra mostrano come la cromaticità simulata varia durante l’intervallo di tensione. Le singole curve \(x(V)\) e \(y(V)\) (?? e ??) quantificano la variazione del colore in funzione del punto di funzionamento, mentre il grafico \(y(x)\) (??) presenta le stesse informazioni sotto forma di percorso nello spazio cromatico.I grafici riportati sopra mostrano come la cromaticità simulata varia durante l’intervallo di tensione. Le singole curve \(x(V)\) e \(y(V)\) (?? e ??) quantificano la variazione del colore in funzione del punto di funzionamento, mentre il grafico \(y(x)\) (??) presenta le stesse informazioni sotto forma di percorso nello spazio cromatico.

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. Contatti8. Contatti

In questa simulazione, l’OLED viene considerato un dispositivo ben progettato, dotato di contatti elettrici efficienti e selettivi. Le condizioni al contorno dei contatti vengono definite utilizzando l’editor Contatti, mostrato in ??, a cui si accede dalla scheda Struttura dispositivo nella finestra principale.In questa simulazione, l’OLED viene considerato un dispositivo ben progettato, dotato di contatti elettrici efficienti e selettivi. Le condizioni al contorno dei contatti vengono definite utilizzando l’editor Contatti, mostrato in ??, a cui si accede dalla scheda Struttura dispositivo nella finestra principale.

Il contatto superiore, che facilita l’iniezione di lacune, e il contatto inferiore, che facilita l’iniezione di elettroni, sono entrambi modellati come contatti ohmici per i rispettivi portatori di carica predominanti. Ciò significa che i portatori di carica possono entrare e uscire dal dispositivo senza incontrare una barriera di iniezione, in modo che il flusso di corrente non sia limitato dai contatti, ma dal trasporto e dalla ricombinazione all’interno degli strati organici stessi.Il contatto superiore, che facilita l’iniezione di lacune, e il contatto inferiore, che facilita l’iniezione di elettroni, sono entrambi modellati come contatti ohmici per i rispettivi portatori di carica predominanti. Ciò significa che i portatori di carica possono entrare e uscire dal dispositivo senza incontrare una barriera di iniezione, in modo che il flusso di corrente non sia limitato dai contatti, ma dal trasporto e dalla ricombinazione all’interno degli strati organici stessi.

Le cariche minoritarie vengono bloccate a ciascun elettrodo: gli elettroni vengono bloccati al contatto che inietta lacune e le lacune vengono bloccate al contatto che inietta elettroni. Ciò garantisce la selettività delle cariche e sopprime le correnti di dispersione, assicurando che gli elettroni e le lacune siano confinati nei percorsi di trasporto previsti e si ricombinino all’interno del dispositivo.Le cariche minoritarie vengono bloccate a ciascun elettrodo: gli elettroni vengono bloccati al contatto che inietta lacune e le lacune vengono bloccate al contatto che inietta elettroni. Ciò garantisce la selettività delle cariche e sopprime le correnti di dispersione, assicurando che gli elettroni e le lacune siano confinati nei percorsi di trasporto previsti e si ricombinino all’interno del dispositivo.

Con questa configurazione di contatto, la simulazione opera in un regime in cui la corrente è limitata dal volume, il che è appropriato per un OLED di alta qualità. Di conseguenza, la risposta elettrica è determinata dal trasporto delle cariche, dalla sovrapposizione spaziale e dalla ricombinazione radiativa nello strato emissivo, consentendo di esaminare direttamente la fisica interna del dispositivo e la sua interazione con la cavità ottica.Con questa configurazione di contatto, la simulazione opera in un regime in cui la corrente è limitata dal volume, il che è appropriato per un OLED di alta qualità. Di conseguenza, la risposta elettrica è determinata dal trasporto delle cariche, dalla sovrapposizione spaziale e dalla ricombinazione radiativa nello strato emissivo, consentendo di esaminare direttamente la fisica interna del dispositivo e la sua interazione con la cavità ottica.