Simulação do acoplamento ótico de dispositivos OLED utilizando o método da matriz de transferência (TMM).
1. Introdução
Neste tutorial, irá simular o acoplamento ótico em um díodo orgânico emissor de luz (OLED) utilizando o método da matriz de transferência (TMM).
Ao contrário das simulações de células solares, nas quais a luz entra no dispositivo e é absorvida, as simulações óticas de OLED começam com fotões gerados no interior da camada emissora. O solucionador da matriz de transferência calcula então como esses fotões se propagam através da estrutura multicamadas e determina a probabilidade de que escapem do dispositivo para o espaço livre.
Os OLEDs são fortemente influenciados pela interferência óptica, uma vez que a espessura do dispositivo é comparável ao comprimento de onda da luz. A luz emitida no interior do dispositivo reflete-se repetidamente no eletrodo metálico e nas interfaces dielétricas, produzindo padrões de onda estacionária e efeitos de cavidade óptica.
Esses efeitos de cavidade influenciam significativamente o espectro de emissão final, o perfil de emissão angular, a pureza da cor e a eficiência de extração ótica do OLED.
Em dispositivos práticos, apenas uma pequena parte dos fotões gerados internamente escapa para o espaço livre. Muitos fotões ficam retidos em modos guiados, modos de substrato ou modos de plasmão de superfície na interface metálica. Compreender e otimizar a extração ótica é, portanto, um dos principais desafios no design de OLEDs.
2. Criar a simulação OLED.
Abra a janela da nova simulação, conforme mostrado em ??. Selecione a categoria OLEDs.
Dentro da categoria OLED, selecione o exemplo OLED (TMM) apresentado em ??.
Guarde a simulação numa pasta adequada no disco rígido. Após ser carregada, a interface principal da simulação, mostrada em ??, será exibida.
O exemplo apresenta uma estrutura OLED multicamadas completa, que inclui um contacto transparente de ITO, uma camada de transporte de lacunas, uma camada emissora, uma camada de transporte de eletrões e um cátodo metálico.
3. Análise da estrutura OLED.
Abra o editor de camadas a partir da barra de ferramentas à esquerda. A estrutura OLED multicamadas mostrada em ?? será exibida.
O dispositivo é composto por um ânodo transparente de ITO, uma camada de transporte de lacunas NPD (HTL), uma camada emissora de Alq3 (EML), uma camada de transporte de eletrões TPBi (ETL), uma camada interfacial de LiF e um cátodo de alumínio.
O cátodo de alumínio funciona como um espelho altamente refletor, criando uma cavidade ótica ressonante no interior do OLED. A luz emitida pela camada emissora reflete-se repetidamente no interior desta cavidade, modificando significativamente a distribuição do campo ótico e a probabilidade de emissão.
Uma vez que a cavidade ótica modifica a densidade local dos estados óticos, a espessura de cada camada OLED pode alterar significativamente a eficiência e o espectro de emissão.
4. Abrir o solucionador de acoplamento ótico.
Abra a guia «Ótico» que aparece em ??.
Clique no botão «Saída Óptica» para abrir a janela de simulação da saída de luz do OLED.
Ao contrário das simulações óticas de células solares, as simulações de extração de luz em OLED calculam a propagação dos fotões gerados internamente, em vez da luz incidente proveniente do exterior.
O solucionador da matriz de transferência calcula a distribuição do campo elétrico ótico, as ressonâncias da cavidade, a probabilidade de escape dos fotões e a eficiência de extração dependente do comprimento de onda em toda a estrutura multicamadas do OLED.
5. Configurando a camada de emissão.
Abra o editor de Emissão Óptica, conforme mostrado em ??.
Este editor controla as propriedades de emissão ótica das camadas OLED. Neste exemplo, a camada emissora de Alq3 utiliza espectros de emissão medidos experimentalmente.
O solucionador da matriz de transferência emite fotões a partir da camada emissora e, em seguida, calcula como esses fotões se propagam através da estrutura multicamadas.
As configurações de rastreamento de raios angulares definem a resolução angular utilizada no cálculo da propagação dos fotões e da probabilidade de escape.
Uma vez que a cavidade OLED modifica significativamente a distribuição angular dos fotões emitidos, a amostragem angular precisa é importante ao calcular a eficiência de extração.
6. Configuração da malha ótica
Abra o editor de malha ótica, conforme mostrado em ??.
A malha de comprimentos de onda controla o intervalo espectral e a resolução do comprimento de onda utilizados durante a simulação da extração de luz do OLED.
Neste exemplo, o intervalo de comprimentos de onda abrange aproximadamente 300 a 580 nm, cobrindo o intervalo de emissão do material emissor Alq3.
Aumentar a resolução do comprimento de onda melhora a precisão espectral, embora isso implique um aumento no tempo de processamento.
7. Distribuição da densidade de fotões
Execute a simulação de extração ótica pressionando o botão «Executar simulação ótica».
Após a conclusão da simulação, o mapa de densidade de fotões apresentado em ?? será exibido.
O eixo horizontal corresponde à posição dentro do OLED, enquanto o eixo vertical corresponde ao comprimento de onda.
As regiões mais claras correspondem aos comprimentos de onda e posições onde o campo elétrico ótico é amplificado pelas ressonâncias da cavidade. Padrões de ondas estacionárias intensos podem ser observados em toda a estrutura OLED devido às reflexões repetidas entre o cátodo metálico e o ânodo transparente.
Estes padrões de ondas estacionárias influenciam fortemente os locais onde os fotões se acumulam no interior do dispositivo e determinam a eficiência com que os fotões são libertados para o espaço livre.
8. Probabilidade de escape de fotões
Ao selecionar a guia «Probabilidade de Escape», é gerado o mapa de probabilidade de escape, que varia em função do comprimento de onda e da posição, conforme mostrado em ??.
Este gráfico mostra a probabilidade de os fotões gerados no interior do OLED escaparem do dispositivo e se propagarem no espaço livre.
A probabilidade de escape varia consideravelmente em função do comprimento de onda e da posição, uma vez que o OLED comporta-se como uma cavidade ótica ressonante.
Em determinados comprimentos de onda, a cavidade ótica aumenta a eficiência da extração da luz, enquanto, em outros comprimentos de onda, os fotões ficam retidos no interior dos modos guiados ou da cavidade.
A probabilidade média de escape, calculada para diferentes posições e apresentada em ??, revela como a eficiência do processo de extração de luz varia ao longo do espectro visível.
9. Probabilidade de fuga dependente da posição.
O separador «Probabilidade de Escape» (1D em y) gera o perfil da probabilidade de escape, resolvido espacialmente, apresentado em ??.
Este gráfico demonstra a eficiência com que os fotões escapam, dependendo da posição em que são gerados no interior do OLED.
A eficiência máxima de extração da luz ocorre nas proximidades dos pontos de máximo do campo ótico do modo da cavidade. Consequentemente, a posição exata da camada emissora no interior da cavidade do OLED influencia significativamente a eficiência final do dispositivo.
No projeto prático de dispositivos OLED, a espessura da camada emissora e a posição da cavidade são frequentemente ajustadas com precisão para maximizar a sobreposição com o antinodo da cavidade ótica.
10. Probabilidade de escape e características energéticas do dispositivo.
Os gráficos que representam a extração ótica também podem ser exibidos em conjunto com os níveis de energia do OLED, conforme mostrado em ??.
Ao sobrepor a distribuição do campo ótico à estrutura eletrónica do dispositivo, obtém-se uma compreensão física valiosa da relação entre a recombinação de cargas e o acoplamento ótico.
Idealmente, a recombinação eletrão-lacuna deveria ocorrer em regiões onde a probabilidade de escape ótico é elevada. Se a recombinação ocorrer em regiões com baixa eficiência de extração de luz, uma grande parte dos fotões poderá ficar retida no interior da cavidade OLED.
11. Emissão interna em vez de iluminação externa.
Ao contrário das simulações fotovoltaicas, as simulações óticas de OLED não requerem iluminação externa. Em vez disso, os fotões são gerados internamente na camada emissora.
O solucionador da matriz de transferência determina então como esses fotões gerados internamente se propagam através da cavidade ótica e se eles escapam para o espaço livre ou permanecem presos dentro do dispositivo.
Esta diferença distingue fundamentalmente as simulações óticas de OLED das simulações de absorção ótica em células solares.
12. Resumo
Neste tutorial, utilizou o método da matriz de transferência para simular o acoplamento ótico em um dispositivo OLED multicamadas.
Analisou as distribuições da densidade de fotões, as ressonâncias da cavidade em função do comprimento de onda e as probabilidades de escape dos fotões em toda a estrutura OLED.
Além disso, vocês analisaram como a cavidade ótica modifica a probabilidade de os fotões escaparem do dispositivo para o espaço livre.
O método da matriz de transferência oferece uma estrutura poderosa e computacionalmente eficiente para compreender a interferência ótica, as ressonâncias de cavidade e a eficiência de extração de luz em dispositivos OLED.