Symulacja optycznego wyprowadzania światła z diod OLED z wykorzystaniem metody macierzy przenoszenia (TMM).
1. Wprowadzenie
W tym samouczku przeprowadzisz symulację optycznego sprzężenia światła w organicznej diodzie elektroluminescencyjnej (OLED) przy użyciu metody macierzy przenoszenia (TMM).
W odróżnieniu od symulacji ogniw słonecznych, w których światło wpada do urządzenia i jest przez nie pochłaniane, symulacje optyczne OLED rozpoczynają się od fotonów generowanych wewnątrz warstwy emitującej. Następnie, za pomocą metody macierzy przenoszenia, oblicza się, w jaki sposób te fotony rozprzestrzeniają się przez wielowarstwową strukturę, oraz określa prawdopodobieństwo, że opuszczą urządzenie i trafią w przestrzeń.
Na działanie diod OLED istotny wpływ mają zjawiska interferencji światła, ponieważ grubość warstwy diody jest porównywalna z długością fali światła. Światło emitowane wewnątrz diody wielokrotnie odbija się od metalowej elektrody i warstw dielektrycznych, tworząc wzory fal stojących i efekty rezonansowe.
Te efekty związane z obecnością przestrzeni rezonansowych mają istotny wpływ na ostateczny widmowy rozkład emisji, kątowy profil emisji, czystość barw oraz efektywność optycznego wyprowadzania światła z diody OLED.
W rzeczywistych urządzeniach tylko niewielka część wewnętrznie generowanych fotonów wydostaje się w przestrzeń. Wiele fotonów zostaje uwięzionych w określonych trybach propagacji, trybach podłoża lub trybach plazmonów powierzchniowych na granicy metalu. Zrozumienie i optymalizacja procesu emisji światła stanowi zatem jedno z kluczowych wyzwań w projektowaniu wyświetlaczy OLED.
2. Tworzenie symulacji OLED.
Otwórz okno nowej symulacji, jak pokazano na ilustracji ??. Wybierz kategorię OLED.
W kategorii OLED wybierz przykład OLED (TMM) przedstawiony w ??.
Zapisz symulację w odpowiednim folderze na dysku. Po załadowaniu pojawi się główny interfejs symulacji, jak pokazano na ilustracji ??.
W przedstawionym przykładzie znajduje się kompletna, wielowarstwowa struktura OLED, obejmująca przezroczysty kontakt z tlenku indu i cyny (ITO), warstwę transportującą dziury, warstwę emisyjną, warstwę transportującą elektrony oraz metalową katodę.
3. Analiza struktury wyświetlacza OLED.
Otwórz edytor warstw za pomocą paska narzędzi znajdującego się po lewej stronie. Pojawi się wielowarstwowa struktura OLED, jak pokazano na ilustracji ??.
Urządzenie składa się z następujących elementów: przezroczystej anody ITO, warstwy transportującej dziury NPD (HTL), warstwy emisyjnej Alq3 (EML), warstwy transportującej elektrony TPBi (ETL), warstwy interfejsowej LiF oraz aluminiowej katody.
Aluminiowa katoda pełni funkcję wysoce refleksyjnego zwierciadła, tworząc wewnątrz diody OLED rezonansową przestrzeń optyczną. Światło emitowane przez warstwę emitującą wielokrotnie odbija się wewnątrz tej przestrzeni, co znacząco modyfikuje rozkład pola optycznego i prawdopodobieństwo emisji światła.
Ponieważ rezonator optyczny modyfikuje lokalną gęstość stanów optycznych, grubość każdej warstwy OLED może znacząco wpływać na wydajność i spektrum emisji.
4. Otwieranie modułu do rozwiązywania problemów związanych z optycznym wyprowadzaniem sygnału.
Otwórz zakładkę „Optyka”, którą można znaleźć w ??.
Kliknij przycisk „Optyczne wyprowadzanie światła”, aby otworzyć okno symulacji wyprowadzania światła z wyświetlacza OLED.
W odróżnieniu od optycznych symulacji ogniw słonecznych, symulacje wydobywania światła z diod OLED obliczają rozprzestrzenianie się fotonów generowanych wewnątrz urządzenia, a nie światła padającego z zewnątrz.
Metoda macierzy przenoszenia służy do obliczania rozkładu pola elektrycznego w warstwach, rezonansów wewnątrz wnęki, prawdopodobieństwa ucieczki fotonów oraz efektywności emisji światła w zależności od długości fali w całej warstwowej strukturze OLED.
5. Konfiguracja warstwy emisyjnej.
Otwórz edytor parametrów emisji optycznej, który znajduje się w ??.
Ten edytor kontroluje właściwości optyczne warstw OLED, a w szczególności ich emisję światła. W tym przykładzie warstwa emisyjna Alq3 wykorzystuje eksperymentalnie zmierzone widma emisji.
Metoda macierzy przenoszenia symuluje emisję fotonów z warstwy emisyjnej, a następnie oblicza, w jaki sposób te fotony rozprzestrzeniają się w wielowarstwowej strukturze.
Ustawienia dotyczące kątowego śledzenia promieni definiują kątową rozdzielczość, która jest wykorzystywana podczas obliczania trajektorii fotonów i prawdopodobieństwa ich ucieczki.
Ponieważ struktura OLED znacząco wpływa na rozkład kątowy emitowanych fotonów, precyzyjne pomiary w różnych kątach są kluczowe przy obliczaniu efektywności wydobywania światła.
6. Konfiguracja siatki optycznej
Otwórz edytor siatki optycznej, który jest wyświetlany w ??.
Siatka długości fal kontroluje zakres spektralny i rozdzielczość długości fal, które są wykorzystywane podczas symulacji emisji światła z diody OLED.
W tym przykładzie zakres długości fal wynosi około 300–580 nm i obejmuje zakres emisji światła charakterystyczny dla materiału emitującego Alq3.
Zwiększenie rozdzielczości długości fali poprawia dokładność analizy widmowej, choć odbywa się to kosztem wydłużenia czasu obliczeń.
7. Rozkład gęstości fotonów
Uruchom symulację optycznego sprzężenia wyjściowego, klikając przycisk „Uruchom symulację optyczną”.
Po zakończeniu symulacji pojawi się mapa gęstości fotonów, którą można zobaczyć na ilustracji ??.
Oś pozioma odpowiada położeniu wewnątrz matrycy OLED, natomiast oś pionowa odpowiada długości fali.
Jasne obszary odpowiadają długościom fal i położeniom, w których optyczne pole elektryczne jest wzmacniane przez rezonanse wewnątrz wnęki. W całej strukturze OLED można zaobserwować wyraźne wzory fal stojących, co jest spowodowane wielokrotnymi odbiciami między metalową katodą a przezroczystą anodą.
Te wzorce fal stojących mają istotny wpływ na to, gdzie fotony gromadzą się wewnątrz urządzenia, i decydują o tym, jak efektywnie fotony opuszczają urządzenie i rozprzestrzeniają się w przestrzeni.
8. Prawdopodobieństwo ucieczki fotonu
Wybranie zakładki „Prawdopodobieństwo ucieczki” powoduje wyświetlenie mapy prawdopodobieństwa ucieczki, która zależy od długości fali i położenia, jak pokazano na rysunku ??.
Na tym wykresie przedstawiono prawdopodobieństwo, że fotony generowane wewnątrz diody OLED wydostaną się z urządzenia i trafią do przestrzeni.
Prawdopodobieństwo uwolnienia się elektronu silnie zależy zarówno od długości fali, jak i od położenia, ponieważ OLED działa jak rezonator optyczny.
Przy określonych długościach fal rezonator optyczny wzmacnia proces emisji, natomiast przy innych długościach fal fotony zostają uwięzione wewnątrz rezonatora lub w określonych modach falowodowych.
Średnia wartość prawdopodobieństwa ucieczki w funkcji położenia, przedstawiona w ??, pokazuje, jak zmienia się efektywność wyprowadzania światła w całym zakresie widma widzialnego.
9. Prawdopodobieństwo ucieczki zależne od położenia.
Zakładka „Prawdopodobieństwo ucieczki (1D w osi y)” generuje profil prawdopodobieństwa ucieczki, uwzględniający zmiany w przestrzeni, który jest przedstawiony na rysunku ??.
Na tym wykresie przedstawiono, jak efektywnie fotony opuszczają urządzenie, w zależności od miejsca, w którym są generowane wewnątrz diody OLED.
Najwyższa efektywność wyprowadzania światła występuje w pobliżu punktów o największej amplitudzie pola optycznego wewnątrz rezonatora. W związku z tym, precyzyjne umiejscowienie warstwy emisyjnej wewnątrz rezonatora OLED ma istotny wpływ na końcową efektywność działania urządzenia.
W praktycznym projektowaniu wyświetlaczy OLED grubość warstwy emitującej i położenie rezonatora są często precyzyjnie dobierane, aby zmaksymalizować nakładanie się z węzłem antyrezonansowym rezonatora optycznego.
10. Prawdopodobieństwo uwolnienia i właściwości energetyczne urządzenia.
Wykresy przedstawiające efektywność wyprowadzania światła można również wyświetlać razem z poziomami energii OLED, jak pokazano na ilustracji ??.
Nałożenie na siebie mapy rozkładu pola optycznego i struktury elektronicznej urządzenia pozwala uzyskać cenne informacje na temat zależności między rekombinacją ładunków a emisją światła.
W idealnych warunkach rekombinacja elektronów i dziur powinna zachodzić w obszarach, w których prawdopodobieństwo wydostania się fotonów jest wysokie. Jeśli rekombinacja występuje w obszarach o niskiej efektywności emisji, duża część fotonów może pozostać uwięziona wewnątrz struktury OLED.
11. Emitowanie światła od wewnątrz, a nie oświetlanie z zewnątrz.
W przeciwieństwie do symulacji fotowoltaicznych, symulacje optyczne OLED nie wymagają zewnętrznego źródła światła. Zamiast tego, fotony są generowane wewnętrznie w warstwie emitującej światło.
Następnie algorytm obliczający macierz transferu określa, w jaki sposób te wewnętrznie generowane fotony rozprzestrzeniają się wewnątrz rezonatora optycznego oraz czy wydostają się one do przestrzeni otwartej, czy pozostają uwięzione wewnątrz urządzenia.
Ta różnica zasadniczo odróżnia symulacje optyczne OLED od symulacji absorpcji światła w ogniwach słonecznych.
12. Podsumowanie
W tym samouczku wykorzystano metodę macierzy przenoszenia do symulacji optycznego sprzężenia wyjściowego w wielowarstwowej strukturze OLED.
Przeprowadziłeś analizę rozkładu gęstości fotonów, rezonansów wewnątrz wnęki w zależności od długości fali oraz prawdopodobieństwa ucieczki fotonów w całej strukturze OLED.
Zbadaliście również, w jaki sposób rezonator optyczny wpływa na prawdopodobieństwo, że fotony opuszczają urządzenie i rozprzestrzeniają się w przestrzeni.
Metoda macierzy przenoszenia stanowi skuteczne i wydajne obliczeniowo narzędzie do analizy zjawisk optycznej interferencji, rezonansów w rezonatorach oraz efektywności wyprowadzania światła w urządzeniach OLED.