Parte B: simulazione di OLED mediante ray tracingParte B: simulazione di OLED mediante ray tracing

1. Introduzione1. Introduzione

Nella sezione precedente, abbiamo utilizzato il metodo della matrice di trasferimento (TMM) per calcolare la probabilità che i fotoni fuoriescano dal dispositivo. Il TMM considera la luce come un’onda, tenendo conto in modo naturale delle molteplici riflessioni che avvengono alle interfacce tra gli strati e delle conseguenti interferenze all’interno della cavità sottile.Nella sezione precedente, abbiamo utilizzato il metodo della matrice di trasferimento (TMM) per calcolare la probabilità che i fotoni fuoriescano dal dispositivo. Il TMM considera la luce come un’onda, tenendo conto in modo naturale delle molteplici riflessioni che avvengono alle interfacce tra gli strati e delle conseguenti interferenze all’interno della cavità sottile.

In questa sezione adottiamo un approccio complementare: il ray tracing. In questo caso, la luce viene trattata come particelle (raggi), un metodo ampiamente utilizzato nella grafica computerizzata. Un vantaggio fondamentale è la sua esplicita dipendenza angolare: possiamo tracciare come i raggi si rifrangono e si riflettono quando escono dal dispositivo e, di conseguenza, prevedere il comportamento in funzione dell’angolo, ad esempio il colore (lo spettro) osservato in relazione all’angolo di visione, che è l’argomento principale di questa sezione.In questa sezione adottiamo un approccio complementare: il ray tracing. In questo caso, la luce viene trattata come particelle (raggi), un metodo ampiamente utilizzato nella grafica computerizzata. Un vantaggio fondamentale è la sua esplicita dipendenza angolare: possiamo tracciare come i raggi si rifrangono e si riflettono quando escono dal dispositivo e, di conseguenza, prevedere il comportamento in funzione dell’angolo, ad esempio il colore (lo spettro) osservato in relazione all’angolo di visione, che è l’argomento principale di questa sezione.

2. Guida rapida: ray tracing2. Guida rapida: ray tracing

Per creare una nuova simulazione di ray tracing OLED, aprire la finestra «Nuova simulazione» e fare doppio clic su «OLED (Ray Trace)» (vedere ??). Salvare il nuovo progetto sul disco rigido. Una volta aperto, si visualizzerà l’interfaccia principale di OLED (??), che è simile all’esempio precedente, ma con il ray tracer abilitato come modello ottico.Per creare una nuova simulazione di ray tracing OLED, aprire la finestra «Nuova simulazione» e fare doppio clic su «OLED (Ray Trace)» (vedere ??). Salvare il nuovo progetto sul disco rigido. Una volta aperto, si visualizzerà l’interfaccia principale di OLED (??), che è simile all’esempio precedente, ma con il ray tracer abilitato come modello ottico.

Nell’interfaccia principale, individuate la sezione relativa alla guida d’onda ottica (??) e fate clic su «Optical outcoupling», proprio come avete fatto nella simulazione precedente. Questo aprirà la finestra di «outcoupling» (vedi ??). Notate che, questa volta, il pulsante «Ray Trace» è selezionato nell’interfaccia principale, invece del pulsante «Transfer Matrix». Cliccando sul pulsante «Run optical simulation» (▶), verrà avviato il programma di tracciamento dei raggi, che calcolerà la probabilità che i fotoni fuoriescano dal dispositivo in ogni punto, propagando i raggi da ogni punto della griglia all’interno dello strato attivo.Nell’interfaccia principale, individuate la sezione relativa alla guida d’onda ottica (??) e fate clic su «Optical outcoupling», proprio come avete fatto nella simulazione precedente. Questo aprirà la finestra di «outcoupling» (vedi ??). Notate che, questa volta, il pulsante «Ray Trace» è selezionato nell’interfaccia principale, invece del pulsante «Transfer Matrix». Cliccando sul pulsante «Run optical simulation» (▶), verrà avviato il programma di tracciamento dei raggi, che calcolerà la probabilità che i fotoni fuoriescano dal dispositivo in ogni punto, propagando i raggi da ogni punto della griglia all’interno dello strato attivo.

Questo processo richiederà molto più tempo rispetto alle simulazioni TMM a causa della maggiore complessità. Inoltre, le simulazioni calcoleranno solo la probabilità di fuoriuscita per l’area attiva, al fine di risparmiare tempo. Si noti che l’efficienza di estrazione per il ray tracing è inferiore a quella prevista dal metodo della matrice di trasferimento, poiché quest’ultimo presuppone una propagazione perpendicolare alle interfacce, mentre il ray tracing consente ai raggi di propagarsi in tutte le direzioni, alcune delle quali non lasceranno mai il dispositivo.Questo processo richiederà molto più tempo rispetto alle simulazioni TMM a causa della maggiore complessità. Inoltre, le simulazioni calcoleranno solo la probabilità di fuoriuscita per l’area attiva, al fine di risparmiare tempo. Si noti che l’efficienza di estrazione per il ray tracing è inferiore a quella prevista dal metodo della matrice di trasferimento, poiché quest’ultimo presuppone una propagazione perpendicolare alle interfacce, mentre il ray tracing consente ai raggi di propagarsi in tutte le direzioni, alcune delle quali non lasceranno mai il dispositivo.

3. Simulazioni elettriche combinate con il ray tracing.3. Simulazioni elettriche combinate con il ray tracing.

Ora tornate alla finestra principale della simulazione e premete il tasto Play blu pulsante (o premi) 9) per avviare la simulazione principale. In questa fase, vengono eseguite innanzitutto le algoritmo di ray tracing e poi diffusione-trasporto il risolutore. L’algoritmo di tracciamento dei raggi calcola la probabilità che i fotoni generati nello strato attivo fuoriescano dal dispositivo e determina anche la distribuzione angolare dell’emissione (e quindi quali colori sono visibili a quali angoli). Il risolutore che utilizza il modello di deriva-diffusione calcola quindi l’intensità della luce emessa valutando il termine di ricombinazione, che rappresenta la velocità di emissione radiativa. La vista risultante dal tracciamento dei raggi è mostrata in: Figura 5e il relativo grafico che mette in relazione la tensione e l’intensità luminosalv.csv, la relazione tra intensità luminosa e tensione è illustrata in Figura 6. Ora tornate alla finestra principale della simulazione e premete il tasto Play blu pulsante (o premi) 9) per avviare la simulazione principale. In questa fase, vengono eseguite innanzitutto le algoritmo di ray tracing e poi diffusione-trasporto il risolutore. L’algoritmo di tracciamento dei raggi calcola la probabilità che i fotoni generati nello strato attivo fuoriescano dal dispositivo e determina anche la distribuzione angolare dell’emissione (e quindi quali colori sono visibili a quali angoli). Il risolutore che utilizza il modello di deriva-diffusione calcola quindi l’intensità della luce emessa valutando il termine di ricombinazione, che rappresenta la velocità di emissione radiativa. La vista risultante dal tracciamento dei raggi è mostrata in: Figura 5e il relativo grafico che mette in relazione la tensione e l’intensità luminosalv.csv, la relazione tra intensità luminosa e tensione è illustrata in Figura 6.

3. Risultati principali3. Risultati principali

Se si analizzano i risultati della simulazione combinata di ray tracing e diffusione-deriva (??), si noterà che molti file corrispondono a quelli descritti nella sezione precedente (metodo della matrice di trasferimento). L’aggiunta fondamentale è che il ray tracing fornisce un profilo di emissione risolto in funzione dell’angolo, quindi OghmaNano registra anche i dati cromatici in funzione dell’angolo: il valore RGB complessivo in funzione dell’angolo di visualizzazione (theta_RGB.csv) e i componenti CIE 1931 x, y, z e i valori di stimolazione X, Y, Z in funzione dell’angolo (theta_x/y/z.csv, theta_X/Y/Z.csv). Questi vengono visualizzati come icone di anteprima dello spettro arcobaleno nella figura e sono riassunti nella tabella sottostante.Se si analizzano i risultati della simulazione combinata di ray tracing e diffusione-deriva (??), si noterà che molti file corrispondono a quelli descritti nella sezione precedente (metodo della matrice di trasferimento). L’aggiunta fondamentale è che il ray tracing fornisce un profilo di emissione risolto in funzione dell’angolo, quindi OghmaNano registra anche i dati cromatici in funzione dell’angolo: il valore RGB complessivo in funzione dell’angolo di visualizzazione (theta_RGB.csv) e i componenti CIE 1931 x, y, z e i valori di stimolazione X, Y, Z in funzione dell’angolo (theta_x/y/z.csv, theta_X/Y/Z.csv). Questi vengono visualizzati come icone di anteprima dello spettro arcobaleno nella figura e sono riassunti nella tabella sottostante.

4. Lo spettro della luce emessa4. Lo spettro della luce emessa

Proprio come si impostano i parametri elettrici per ogni strato, è possibile configurare lo spettro di emissione per ciascuno di essi nella finestra dei parametri di emissione (che si apre selezionando Struttura dispositivo → Parametri di emissione nell’interfaccia principale; vedere Figura 5). Lo spettro può essere di due tipi:Proprio come si impostano i parametri elettrici per ogni strato, è possibile configurare lo spettro di emissione per ciascuno di essi nella finestra dei parametri di emissione (che si apre selezionando Struttura dispositivo → Parametri di emissione nell’interfaccia principale; vedere Figura 5). Lo spettro può essere di due tipi:

• Spettro sperimentale: attiva l’opzione «Utilizza spettri di emissione sperimentali». Quindi, seleziona un set di dati tramite «Spettri di emissione sperimentali». Controlla l’intensità complessiva con «Efficienza di emissione sperimentale» (intervallo 0.0–1.0, unità arbitrarie). Molti set di dati sono disponibili nel database dei materiali e puoi aggiungerne di tuoi (vedi «Database»).Spettro sperimentale: attiva l’opzione «Utilizza spettri di emissione sperimentali». Quindi, seleziona un set di dati tramite «Spettri di emissione sperimentali». Controlla l’intensità complessiva con «Efficienza di emissione sperimentale» (intervallo 0.0–1.0, unità arbitrarie). Molti set di dati sono disponibili nel database dei materiali e puoi aggiungerne di tuoi (vedi «Database»).
• Spettro calcolato: attiva/disattiva. Utilizza gli spettri di emissione sperimentali. Disattiva per calcolare lo spettro a partire dalle popolazioni di portatori e dalla densità degli stati, utilizzando la regola aurea di Fermi. Vengono visualizzati termini aggiuntivi relativi all’efficienza di generazione dei fotoni (tutti in unità 0.0–1.0, au): nfree→pfree, nfree→ntrap, ntrap→pfree, ptrap→nfree e pfree→ptrap. Questa modalità è pensata per utenti esperti.Spettro calcolato: attiva/disattiva. Utilizza gli spettri di emissione sperimentali. Disattiva per calcolare lo spettro a partire dalle popolazioni di portatori e dalla densità degli stati, utilizzando la regola aurea di Fermi. Vengono visualizzati termini aggiuntivi relativi all’efficienza di generazione dei fotoni (tutti in unità 0.0–1.0, au): nfree→pfree, nfree→ntrap, ntrap→pfree, ptrap→nfree e pfree→ptrap. Questa modalità è pensata per utenti esperti.

Quando si utilizza il ray tracing per l’estrazione della luce, ogni strato può specificare le direzioni di emissione nella sezione dedicata al ray tracing, utilizzando angoli sferici: incrementi di theta (ad esempio 180), angolo iniziale/finale di theta (in gradi, ad esempio 0–360); incrementi di phi (ad esempio 25), angolo iniziale/finale di phi (in gradi, ad esempio 0–360). In questo modo è possibile analizzare la dispersione angolare della luce. Per strutture piatte e uniformi lateralmente, la simmetria spesso implica che sia sufficiente variare solo uno tra theta o phi.Quando si utilizza il ray tracing per l’estrazione della luce, ogni strato può specificare le direzioni di emissione nella sezione dedicata al ray tracing, utilizzando angoli sferici: incrementi di theta (ad esempio 180), angolo iniziale/finale di theta (in gradi, ad esempio 0–360); incrementi di phi (ad esempio 25), angolo iniziale/finale di phi (in gradi, ad esempio 0–360). In questo modo è possibile analizzare la dispersione angolare della luce. Per strutture piatte e uniformi lateralmente, la simmetria spesso implica che sia sufficiente variare solo uno tra theta o phi.

L’opzione «Emit from» controlla le posizioni da cui vengono emessi i raggi: «Center» fa sì che ogni livello emetta i raggi dal centro di ciascun livello di emissione (più veloce); «At each electrical mesh point» fa sì che ogni punto della griglia elettrica emetta raggi da ogni nodo elettrico, per una maggiore precisione (più lento, ma si può compensare aumentando il numero di thread).L’opzione «Emit from» controlla le posizioni da cui vengono emessi i raggi: «Center» fa sì che ogni livello emetta i raggi dal centro di ciascun livello di emissione (più veloce); «At each electrical mesh point» fa sì che ogni punto della griglia elettrica emetta raggi da ogni nodo elettrico, per una maggiore precisione (più lento, ma si può compensare aumentando il numero di thread).