Parte A: Simulação de dispositivo OLED - óptica coerente de filmes finos

1. Visão geral da simulação de OLEDs

Diodos Orgânicos Emissores de Luz (OLEDs) são amplamente usados em tecnologias modernas de displays e iluminação, e seu desempenho é fortemente determinado pelos processos elétricos e ópticos acoplados dentro do dispositivo. Em um OLED, portadores de carga são injetados a partir dos eletrodos em filmes finos orgânicos, onde a recombinação radiativa produz luz por eletroluminescência. No OghmaNano, a simulação de dispositivos OLED é realizada combinando modelagem de transporte de carga por drift–diffusion com modelos ópticos, permitindo que tanto o fluxo de corrente quanto a geração de luz sejam tratados de forma autoconsistente.

Neste tutorial, apresentamos uma simulação de dispositivo OLED passo a passo no OghmaNano usando uma estrutura com camada emissiva única (single-EML). O comportamento elétrico é resolvido de forma autoconsistente usando as equações de drift–diffusion, enquanto a resposta óptica é modelada usando o método da matriz de transferência (TMM). O método da matriz de transferência trata a luz como uma onda coerente e fornece uma descrição óptica rigorosa de filme fino para propagação, reflexão e interferência dentro da pilha em camadas do OLED.

Este modelo óptico coerente é particularmente adequado para estruturas OLED suaves e planares, como filmes finos evaporados, onde efeitos de microcavidade e interferência em filmes finos desempenham um papel central. Quando acoplado à simulação elétrica, o modelo permite cálculo direto de características corrente–tensão, eficiência quântica externa dependente da tensão (EQE), espectros de emissão e grandezas relacionadas à cor, capturando a física essencial do acoplamento eletro–óptico em OLEDs.

2. Criando uma nova simulação

Para começar, abra a simulação de exemplo OLED (TMM) clicando duas vezes nela na janela Nova simulação. Isso carrega a interface principal mostrada em ??, onde a pilha do dispositivo e os painéis de edição associados são exibidos.

3. Explorando simulações apenas ópticas

Um desafio central no projeto de OLEDs é determinar quanto da luz gerada dentro do dispositivo finalmente escapa para o espaço livre. Uma grande fração dos fótons permanece aprisionada dentro da estrutura em camadas ou é absorvida antes que possa contribuir para a emissão útil. O método da matriz de transferência (TMM) fornece uma estrutura quantitativa para analisar como a interferência dentro da pilha de filmes finos redistribui a potência óptica e como mudanças na espessura das camadas ou no índice de refração influenciam a fração de luz extraída.

Para acessar as ferramentas ópticas, mude para a faixa de opções Optical (??) e clique no botão Optical outcoupling. Isso abre a ferramenta Optical outcoupling, mostrada em ??, onde cálculos por matriz de transferência podem ser executados independentemente do solucionador elétrico.

Para iniciar o cálculo, clique no botão Play. A simulação calcula a distribuição espacial e espectral dos fótons emitidos dentro da pilha OLED. O gráfico resultante, ??, mostra a probabilidade de escape em função do comprimento de onda (eixo vertical) e da posição dentro do dispositivo (eixo horizontal). Regiões claras indicam combinações de comprimento de onda de emissão e profundidade onde os fótons têm alta probabilidade de escapar para o mundo exterior, enquanto regiões mais escuras correspondem à luz que permanece aprisionada dentro da estrutura.

As bandas alternadas visíveis neste gráfico surgem de interferência construtiva e destrutiva entre ondas ópticas propagando-se para frente e para trás dentro da microcavidade OLED. Esse comportamento é diretamente análogo aos padrões de ondas estacionárias observados em um tanque de ondas (??), onde reflexões nas fronteiras fazem as ondas de água interferirem, produzindo regiões de amplitude de onda aumentada e suprimida. No OLED, a mesma física de ondas governa como a energia óptica é redistribuída ao longo da pilha, dando origem ao padrão característico de interferência visto no mapa de probabilidade de escape.

Tais simulações apenas ópticas fornecem insight direto sobre como a microcavidade em camadas molda a emissão e oferecem orientação prática para otimizar espessuras de camadas e comprimentos de onda de emissão antes da modelagem completa elétrica–óptica acoplada.

3. Simulações elétricas combinadas com cálculos ópticos por matriz de transferência

Agora que você explorou o outcoupling óptico com o Método da Matriz de Transferência (TMM), pode combinar isso com a modelagem por drift–diffusion para entender como um OLED emite luz em função da corrente e da tensão. Nessas simulações combinadas, o perfil de recombinação do cálculo por drift–diffusion fornece a fonte emissiva, que é então acoplada ao modelo de outcoupling óptico. A simulação primeiro realiza um cálculo de outcoupling óptico, exatamente como descrito acima, e então executa uma simulação elétrica padrão por drift–diffusion para gerar a resposta corrente–tensão (JV). O usuário deve retornar à interface principal e pressionar o botão Run simulation (▶) para iniciar o cálculo completo. Os resultados da simulação eletro–óptica combinada são gravados na aba Output e aparecem como mostrado em ??.

Arquivos-chave produzidos pela simulação OLED.

Nome do arquivo	Descrição
iv.csv	Corrente vs. tensão
jv.csv	Densidade de corrente vs. tensão
jl.csv	Densidade de corrente vs. densidade de potência óptica de saída
k.csv	Constante média de taxa de recombinação vs. tensão
v_eqe.csv	Tensão vs. eficiência quântica externa (EQE)
vl.csv	Tensão vs. densidade de potência óptica de saída
v_cd_a.csv	Eficiência luminosa (cd A−1) vs. tensão
v_cd_m2.csv	Luminância (cd m−2) vs. tensão
sweep/	Valores i.e. (mobilidade, CIE X/Y/Z, densidade de portadores v.s. tensão)
Snapshots/	Snapshots dos parâmetros elétricos do dispositivo salvos em cada passo da simulação.

A simulação grava vários arquivos de saída na aba Output. Esses arquivos contêm os principais resultados numéricos da simulação OLED óptica e elétrica combinada e podem ser usados para análise adicional ou plotagem. Os arquivos mais importantes são descritos abaixo na Tabela 7.1.

As principais características de saída da simulação OLED elétrica–óptica acoplada são mostradas em ??, ?? e ??. A curva densidade de corrente–tensão (jv.csv) mostra o comportamento de turn-on elétrico do dispositivo. A curva tensão–luminância (v_cd_m2.csv) converte a saída óptica simulada em unidades relevantes para displays (cd m⁻²), ilustrando como o brilho aumenta rapidamente uma vez que a recombinação eficiente é estabelecida. Por fim, a curva tensão–EQE (v_eqe.csv) mostra o início da geração de luz no turn-on e, neste exemplo, uma eficiência quase constante quando o dispositivo opera em seu regime radiativo.

4. Como a luz é gerada no dispositivo

Em um OLED, a luz é gerada por recombinação radiativa de elétrons livres e lacunas dentro da camada emissiva. Elétrons injetados a partir do cátodo e lacunas injetadas a partir do ânodo são transportados através do dispositivo até que suas distribuições espaciais se sobreponham, ponto no qual a recombinação pode ocorrer e um fóton pode ser emitido.

A estrutura em camadas do dispositivo é definida no Editor de camadas, mostrado em ??. Camadas que participam do transporte de carga e da recombinação são explicitamente marcadas como eletricamente ativas neste editor, enquanto contatos e camadas opticamente passivas são excluídos da solução elétrica. No presente dispositivo, apenas a camada central de Alq₃ está configurada como emissiva, garantindo que a recombinação radiativa fique confinada a essa região.

A taxa local de recombinação radiativa é proporcional ao produto das densidades de portadores livres e é escrita como

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

Aqui, \(n\) e \(p\) denotam as densidades de elétrons livres e lacunas livres, respectivamente, e \(k\) é o coeficiente de recombinação radiativa. Essa expressão garante que a recombinação se anule no equilíbrio e aumente à medida que a injeção de portadores leve o sistema para fora do equilíbrio sob polarização aplicada.

Os parâmetros elétricos que governam o transporte de carga e a recombinação são definidos no Editor de parâmetros elétricos, que pode ser acessado a partir da aba Device na janela principal. Os parâmetros usados para o dispositivo atual são mostrados em ??, ?? e ??, correspondendo à camada de transporte de lacunas (HTL), camada emissiva (EML) e camada de transporte de elétrons (ETL), respectivamente.

Essas figuras definem as mobilidades dos portadores, densidades efetivas de estados, parâmetros eletrostáticos e constantes de recombinação usadas nas equações de drift–diffusion. Neste exemplo, a recombinação radiativa é ativada apenas na camada emissiva de Alq₃, enquanto as camadas de transporte servem principalmente para injetar e confinar portadores de carga. Juntos, esses parâmetros controlam onde os portadores se acumulam, onde ocorre a recombinação e, em última análise, a distribuição espacial da geração de luz dentro do dispositivo.

Durante a simulação, o OghmaNano cria automaticamente um diretório chamado snapshots na pasta de saída (veja ??). O diretório snapshots contém grandezas elétricas e ópticas registradas em cada passo da simulação, o que neste exemplo corresponde à tensão aplicada. Além das saídas em nível de dispositivo, os snapshots incluem variáveis internas do solucionador resolvidas espacialmente em função da posição dentro do dispositivo, como níveis quasi-Fermi e densidades de portadores livres. Grandezas derivadas e saídas observáveis, incluindo a eficiência quântica externa (EQE), também são registradas, permitindo que tanto a física interna do dispositivo quanto as grandezas externamente medidas sejam examinadas de forma consistente.

Abra o diretório snapshots para iniciar o visualizador de snapshots clicando duas vezes nele. Isso abrirá a janela mostrada em ??. Usando o botão azul +, adicione uma nova linha de gráfico e selecione o arquivo relevante (por exemplo Q_nfree.csv, Q_pfree.csv ou R_nfree_to_pfree.csv). À medida que o controle deslizante é movido da esquerda para a direita, a grandeza plotada é atualizada para cada passo da simulação, permitindo que a evolução de densidades de portadores e recombinação seja inspecionada em função da tensão aplicada.

Em baixa tensão aplicada, os perfis de densidade de elétrons livres e lacunas livres são mostrados em ??. À medida que a tensão é aumentada, os perfis correspondentes evoluem para aqueles mostrados em ??. As distribuições espaciais de elétrons e lacunas são, portanto, marcadamente diferentes em baixa e alta polarização, o que muda onde (e com que intensidade) os portadores se sobrepõem na camada emissiva.

Os perfis correspondentes de recombinação livre-a-livre são mostrados nas figuras ?? (baixa tensão) e ?? (alta tensão). Com o aumento da polarização, a zona de recombinação desloca-se fortemente em posição e torna-se mais localizada, indicando que a região dominante de geração de luz se moveu dentro do dispositivo.

5. Traduzindo a taxa de recombinação em um espectro de emissão

Na seção anterior, vimos que as densidades de elétrons livres e lacunas dentro do dispositivo mudam significativamente em função da tensão aplicada. À medida que a tensão aplicada aumenta, mudanças na injeção e no transporte de portadores modificam a sobreposição espacial de elétrons e lacunas, fazendo a taxa de recombinação aumentar e a zona de recombinação deslocar-se dentro do dispositivo. Isso naturalmente levanta a questão de como uma taxa de recombinação espacialmente variável é convertida em um espectro óptico emitido dentro do modelo.

No OghmaNano, uma forma de alcançar isso é usando um espectro de emissão medido experimentalmente definido no banco de dados de materiais . O espectro intrínseco de emissão do material emissivo é mostrado em ??. Esse espectro define a distribuição em comprimento de onda dos fótons gerados por recombinação radiativa antes que os efeitos de cavidade óptica e outcoupling sejam aplicados, e foi medido experimentalmente.

O espectro de emissão usado pelo dispositivo é selecionado no Editor de Luminescência, mostrado em ??, que pode ser acessado a partir dos parâmetros de Emission na aba de estrutura do dispositivo da janela principal. Neste exemplo, o espectro de emissão está definido como small_molecules/Alq3, correspondendo ao espectro de emissão medido experimentalmente do Alq₃. O botão de três pontos ao lado do caminho do material permite que o material emissivo seja alterado.

Também é mostrada no editor de luminescência a eficiência de emissão experimental. No presente exemplo, esse valor está definido como 0.25, significando que apenas 25 por cento dos eventos de recombinação elétron–lacuna resultam em emissão de fótons. Isso reflete a estatística de spin de éxcitons gerados eletricamente em OLEDs fluorescentes, onde apenas éxcitons singleto são radiativos.

Sob excitação elétrica, a recombinação produz estados excitados singleto e triplete em uma razão 1:3, de modo que apenas um quarto dos eventos de recombinação povoa estados singletos radiativos, enquanto os tripletes restantes são não radiativos. Como resultado, mesmo na ausência de perdas ópticas ou elétricas, a eficiência quântica interna é fundamentalmente limitada a 25 por cento neste modelo. Esta é a principal razão pela qual a EQE e a EQE resolvida por posição neste dispositivo de exemplo permanecem relativamente baixas.

No modelo óptico, a taxa local de recombinação radiativa determina quantos pares elétron–lacuna recombinam, enquanto a eficiência de emissão controla que fração desses eventos gera fótons. A taxa resultante de geração de fótons é então distribuída em comprimento de onda de acordo com o espectro de emissão selecionado do material.

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

Aqui, \(R\) é a taxa local de recombinação radiativa obtida a partir do solucionador de drift–diffusion, \(\eta\) é a eficiência de emissão (definida como 0.25 neste exemplo para contabilizar a formação de singletos), e \(S(\lambda)\) é o espectro de emissão normalizado armazenado no banco de dados de materiais.

Modelos OLED mais sofisticados podem tratar explicitamente múltiplas populações de estados excitados, incluindo espécies singletas e tripletes separadas no material emissivo e uma descrição por equações de taxa de fótons da geração de luz. Esses modelos destinam-se principalmente ao uso em pesquisa, onde a dinâmica detalhada de estados excitados é de interesse, e não à otimização rotineira de dispositivos. A implementação desses modelos de estados excitados no OghmaNano é descrita em Estados excitados e processos de emissão .

6. Examinando a luminescência, a EQE e a cor em função da tensão

Uma característica típica de muitos OLEDs é que a cor emitida muda com a tensão aplicada, mesmo quando o material emissivo em si permanece inalterado. À medida que a polarização aumenta, a injeção de portadores altera a sobreposição espacial de elétrons e lacunas, fazendo a zona de recombinação mudar de posição dentro do dispositivo. Como a pilha OLED atua como uma cavidade óptica, diferentes posições dentro da cavidade favorecem a extração de diferentes comprimentos de onda. Recombinação ocorrendo mais próxima de uma interface pode preferencialmente acoplar para fora comprimentos de onda mais curtos, enquanto recombinação em outra região pode favorecer comprimentos de onda mais longos. À medida que a zona de recombinação se move com a tensão, a cavidade portanto seleciona diferentes partes do espectro de emissão, levando diretamente a uma mudança de cor dependente da tensão.

Em um OLED bem projetado, a cor emitida muda apenas fracamente com a tensão aplicada. Isso é alcançado mantendo a zona de recombinação confinada a uma região da cavidade óptica onde o outcoupling dependente do comprimento de onda varia lentamente com a posição. Na prática, isso frequentemente significa projetar a região emissiva para ser relativamente fina, de modo que mesmo que o perfil de recombinação se desloque ligeiramente com a polarização, a cavidade selecione quase os mesmos comprimentos de onda.

Neste exemplo, nos afastamos intencionalmente desse regime otimizado para tornar a física subjacente mais visível. Ao aumentar a espessura da camada emissiva de Alq₃ para 100 nm no Editor de Camadas (veja ??), criamos uma região maior sobre a qual a recombinação pode ocorrer. Isso permite que deslocamentos pronunciados da zona de recombinação dependentes da tensão se desenvolvam, tornando mais fácil observar como mudanças na injeção e no transporte de portadores se traduzem em mudanças na resposta da cavidade óptica.

Após atualizar a espessura da camada emissiva, execute novamente a simulação. Agora use a ferramenta de snapshots para plotar eqe.csv, adicione isso usando o botão +. O gráfico mostra a EQE em função do comprimento de onda para o passo de tensão atualmente selecionado. Ao mover o controle deslizante ao longo da faixa de tensões, você pode observar como o espectro de EQE se remodela à medida que a zona de recombinação se move dentro da cavidade e diferentes comprimentos de onda são extraídos com diferentes eficiências.

O mesmo fluxo de trabalho pode ser usado para examinar o espectro de luminescência dependente da tensão. Adicione uma linha de gráfico para luminescence_lambda.csv e mova o controle deslizante para ver como o espectro de emissão evolui com a polarização (veja ?? e ??). A cor usada para plotar o espectro corresponde à cor de saída percebida que um observador veria naquele ponto de operação. À medida que a tensão é aumentada, isso é visível diretamente no gráfico, à medida que o espectro plotado muda de um azul mais claro em baixa polarização para um azul mais escuro em polarização mais alta, indicando uma mudança na cor emitida.

Por fim, use o mesmo fluxo de trabalho de snapshots para inspecionar explicitamente o espectro de EQE. Plote eqe.csv e mova o controle deslizante de tensão para observar como a EQE dependente do comprimento de onda muda com a polarização (veja ??). Na prática, o espectro de luminescência e o espectro de EQE devem ser interpretados em conjunto: o gráfico de luminescência mostra o que está sendo emitido, enquanto o gráfico de EQE mostra com que eficiência cada comprimento de onda é acoplado para fora em cada ponto de operação.

7. Espaço de cor CIE

Espectros de OLED são frequentemente reduzidos a um pequeno conjunto de coordenadas perceptuais de cor para que a estabilidade de cor possa ser avaliada em função da polarização. A representação mais comum é o sistema CIE 1931, onde um espectro é primeiro convertido em valores tristímulo \((X,Y,Z)\) usando as funções de correspondência de cor CIE, e então normalizado para coordenadas de cromaticidade \((x,y)\).

Dada uma distribuição de potência espectral \(P(\lambda)\) (por exemplo, a potência óptica emitida por unidade de comprimento de onda), os valores tristímulo CIE são calculados ponderando \(P(\lambda)\) com as funções de correspondência de cor \(\overline{x}(\lambda)\), \(\overline{y}(\lambda)\) e \(\overline{z}(\lambda)\):

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

Aqui, \(\overline{x}(\lambda)\), \(\overline{y}(\lambda)\) e \(\overline{z}(\lambda)\) descrevem a sensibilidade espectral padronizada da visão humana, e a constante \(k\) é um fator geral de escala (seu valor específico depende de como \(P(\lambda)\) é definido e se uma calibração fotométrica absoluta está sendo imposta). As coordenadas de cromaticidade correspondentes são então obtidas por normalização:

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

As coordenadas \((x,y)\) representam a cromaticidade (matiz/saturação) em grande parte independentemente do brilho absoluto, o que é útil para separar “quão brilhante” o OLED é de “que cor” ele aparenta ter. No OghmaNano, os valores CIE são calculados a partir do espectro de emissão simulado em cada passo de tensão e gravados na saída de sweep para que a deriva de cor possa ser plotada diretamente contra o ponto de operação elétrico. Para visualizar esses arquivos de sweep, clique duas vezes no diretório sweep/ na aba Output para abrir o visualizador de sweep (??).

As figuras acima mostram como a cromaticidade simulada evolui ao longo da varredura de tensão. As curvas individuais \(x(V)\) e \(y(V)\) (?? e ??) quantificam a deriva de cor em função do ponto de operação, enquanto o gráfico \(y(x)\) (??) mostra a mesma informação como um caminho através do espaço de cromaticidade.

Neste exemplo, a cromaticidade move-se sistematicamente com o aumento da polarização e então se aproxima de um valor estável em tensão mais alta. Fisicamente, isso normalmente reflete uma mudança no espectro efetivamente emitido com a tensão (por exemplo, devido a um deslocamento da zona de recombinação dentro da cavidade óptica, ou a um peso espectral dependente da tensão da resposta de outcoupling). Em pilhas OLED bem otimizadas, a deriva correspondente em \((x,y)\) é pequena;

8. Contatos

Nesta simulação, o OLED é tratado como um dispositivo bem projetado com contatos elétricos eficientes e seletivos. As condições de contorno dos contatos são definidas usando o Editor de Contatos, mostrado em ??, que é acessado a partir da aba Device structure na janela principal.

O contato superior injetor de lacunas e o contato inferior injetor de elétrons são ambos modelados como ôhmicos para seus respectivos portadores majoritários. Isso significa que os portadores de carga podem entrar e sair do dispositivo sem barreira de injeção, de modo que o fluxo de corrente não seja limitado pelos contatos, mas pelo transporte e recombinação dentro das camadas orgânicas propriamente ditas.

Portadores minoritários são bloqueados em cada eletrodo: elétrons são bloqueados no contato injetor de lacunas e lacunas são bloqueadas no contato injetor de elétrons. Isso impõe seletividade de portadores e suprime correntes de fuga, garantindo que elétrons e lacunas fiquem confinados aos seus caminhos de transporte pretendidos e recombinem no interior do dispositivo.

Com essa configuração de contatos, a simulação opera no regime limitado pelo volume apropriado para um OLED de alta qualidade. A resposta elétrica é, portanto, governada pelo transporte de portadores, sobreposição espacial e recombinação radiativa na camada emissiva, permitindo que a física interna do dispositivo e seu acoplamento à cavidade óptica bector sejam examinados diretamente.