Моделювання оптичного випромінювання світла з OLED-дисплеїв за допомогою методу передатної матриці (TMM).

1. Вступ

У цьому навчальному посібнику ви змоделюєте оптичне випромінювання в органічному світлодіоді (OLED) за допомогою методу матриці передачі (TMM).

На відміну від моделювання сонячних батарей, де світло потрапляє в пристрій і поглинається, оптичне моделювання OLED починається з фотонів, які генеруються всередині світловіддаючого шару. Далі, за допомогою методу розв’язування матриці передачі, обчислюється, як ці фотони поширюються крізь багатошарову структуру, і визначається ймовірність того, що вони покинуть пристрій і потраплять у вільний простір.

На OLED-дисплеї значним чином впливає оптична інтерференція, оскільки товщина пристрою порівнянна з довжиною хвилі світла. Світло, що випромінюється всередині пристрою, багаторазово відбивається від металевого електрода та діелектричних меж, утворюючи стаціонарні хвильові структури та ефекти оптичного резонатора.

Ці ефекти, пов’язані з наявністю порожнин, суттєво впливають на кінцевий спектр випромінювання, кутовий профіль випромінювання, чистоту кольору та оптичну ефективність випромінювання світлодіода OLED.

У практичних пристроях лише незначна частина фотонів, що утворюються всередині, випромінюється у вільний простір. Значна кількість фотонів затримується в керованих модах, модах підкладки або поверхневих плазмонних модах на межі з металом. Тому розуміння та оптимізація оптичного випромінювання є одним із ключових завдань у розробці OLED-технологій.

2. Створення моделі для симуляції OLED-дисплея.

Відкрийте вікно «Нова симуляція», зображене на ??. Оберіть категорію «OLED».

У категорії OLED виберіть приклад OLED (TMM), показаний у ??.

Збережіть симуляцію у відповідну папку на диску. Після завантаження з’явиться головний інтерфейс симуляції, який показано на ??.

Наведений приклад містить повну багатошарову структуру OLED, яка включає прозорий ITO-контакт, шар для транспортування дірок, світловіддаючий шар, шар для транспортування електронів і металевий катод.

3. Дослідження структури OLED-дисплея.

Відкрийте редактор шарів за допомогою панелі інструментів, розташованої зліва. З’явиться багатошарова OLED-структура, зображена на ??.

Пристрій складається з прозорого ITO-анода, шару транспорту дірок NPD, світловіддаючого шару Alq3, шару транспорту електронів TPBi, інтерфейсного шару LiF і алюмінієвого катода.

Алюмінієвий катод діє як високоякісне дзеркало, створюючи всередині OLED резонантну оптичну порожнину. Світло, що випромінюється з випромінювального шару, багаторазово відбивається всередині цієї порожнини, значно змінюючи розподіл оптичного поля та ймовірність випромінювання.

Оскільки оптична резонаторна структура змінює локальну щільність оптичних станів, то товщина кожного шару OLED може суттєво впливати на ефективність випромінювання та спектр.

4. Відкриття модуля для розв’язання задач оптичного випромінювання.

Відкрийте вкладку «Оптика», зображену на ??.

Натисніть кнопку «Оптичне випромінювання», щоб відкрити вікно моделювання випромінювання OLED.

На відміну від оптичних моделювань сонячних елементів, моделювання випромінювання світла в OLED обчислює поширення фотонів, що генеруються всередині пристрою, а не зовнішнього світла, яке на нього потрапляє.

Метод розв’язання за допомогою матриці передачі обчислює розподіл оптичного електричного поля, резонанси в резонаторі, ймовірність виходу фотонів і залежність коефіцієнта випромінювання від довжини хвилі в багатошаровій структурі OLED.

5. Налаштування шару випромінювання.

Відкрийте редактор оптичної емісії, який показано на ??.

Цей редактор керує оптичними властивостями випромінювання шарів OLED. У цьому прикладі для випромінюючого шару Alq3 використовуються експериментально виміряні спектри випромінювання.

Програма, що використовує метод матриці передачі, генерує фотони в емісійному шарі, а потім обчислює, як ці фотони поширюються крізь багатошарову структуру.

Налаштування кутової трасування променів визначають кутову роздільну здатність, яка використовується під час обчислення шляху поширення фотонів і ймовірності їх виходу.

Оскільки OLED-структура суттєво змінює кутову розподільну функцію випромінюваних фотонів, то для точного розрахунку ефективності випромінювання важливо забезпечити точне кутове дискретизування.

6. Конфігурація оптичної сітки

Відкрийте редактор оптичної сітки, який показано на ??.

Сітка довжин хвиль визначає спектральний діапазон і роздільну здатність довжин хвиль, які використовуються під час моделювання випромінювання світла OLED.

У цьому прикладі діапазон довжин хвиль становить приблизно 300–580 нм, охоплюючи діапазон випромінювання люмінесцентного матеріалу Alq3.

Збільшення роздільної здатності за довжиною хвилі покращує точність спектрального аналізу, хоча це потребує додаткового часу на обчислення.

7. Розподіл щільності фотонів

Запустіть симуляцію оптичного випромінювання, натиснувши кнопку «Запустити оптичну симуляцію».

Після завершення моделювання з’явиться карта щільності фотонів, зображена на ??.

Горизонтальна вісь відображає положення всередині OLED-дисплея, а вертикальна вісь – довжину хвилі.

Яскраві ділянки відповідають довжинам хвиль і положенням, де оптичне електричне поле підсилюється завдяки резонансам у резонаторі. У структурі OLED можна спостерігати виражені стаціонарні хвильові структури, оскільки світло багаторазово відбивається між металевим катодом і прозорим анодом.

Ці структури, що утворюють стоячі хвилі, суттєво впливають на те, де всередині пристрою накопичуються фотони, і визначають, наскільки ефективно фотони випромінюються у вільний простір.

8. Імовірність вивільнення фотона

Вибір вкладки «Імовірність виходу» генерує карту ймовірності виходу, яка залежить від довжини хвилі та положення, як показано на ??.

На цьому графіку показано ймовірність того, що фотони, які утворюються всередині OLED-дисплея, виходять із пристрою у вільний простір.

Імовірність випромінювання значною мірою залежить як від довжини хвилі, так і від положення, оскільки OLED функціонує як резонансний оптичний резонатор.

На певних довжинах хвиль оптична резонаторна структура посилює випромінювання, тоді як на інших довжинах хвиль фотони затримуються всередині направляючих або резонаторних мод.

Усереднена за положенням ймовірність виходу, показана на ??, демонструє, як ефективність випромінювання змінюється в межах видимого спектру.

9. Імовірність виходу, що залежить від положення.

Вкладка «Імовірність виходу» (1D за віссю y) генерує просторово розв’язаний профіль імовірності виходу, який показано на ??.

На цьому графіку показано, наскільки ефективно фотони випромінюються залежно від місця їх утворення всередині OLED-дисплея.

Найвища ефективність випромінювання спостерігається поблизу точок максимальної оптичної інтенсивності в резонаторі. Відповідно, точне розташування випромінюючого шару всередині резонатора OLED суттєво впливає на кінцеву ефективність пристрою.

У практичному проєктуванні OLED-дисплеїв товщину світловіддаючого шару та положення резонатора часто ретельно налаштовують, щоб максимально збільшити їхню взаємну відповідність із антивузлом оптичного резонатора.

10. Імовірність виходу та енергетичні характеристики пристрою.

Графіки оптичного випромінювання також можна відображати разом із рівнями енергії OLED, як показано на ??.

Накладання картини розподілу оптичного поля на електронну структуру пристрою дає змогу отримати важливу інформацію про взаємозв’язок між рекомбінацією заряду та випромінюванням світла.

В ідеалі, рекомбінація електронів і дірок має відбуватися в тих областях, де висока ймовірність випромінювання світла. Якщо рекомбінація відбувається в областях із низькою ефективністю випромінювання, значна частина фотонів може залишатися всередині світлодіодної структури.

11. Внутрішнє випромінювання замість зовнішнього освітлення.

На відміну від фотовольтаїчних симуляцій, оптичні симуляції OLED не потребують зовнішнього освітлення. Натомість, фотони генеруються всередині світловіддаючого шару.

Потім розв’язувач матриці передачі визначає, як ці фотони, що утворюються всередині пристрою, поширюються в оптичній резонаторній камері, і чи виходять вони у вільний простір, чи залишаються замкненими всередині пристрою.

Ця відмінність принципово розрізняє оптичні моделювання OLED від моделювання оптичного поглинання в сонячних елементах.

12. Підсумок

У цьому навчальному посібнику ви використовували метод матриці передачі для моделювання оптичного випромінювання в багатошаровому OLED-пристрої.

Ви досліджували розподіл щільності фотонів, залежність резонансів у резонаторі від довжини хвилі та ймовірність виходу фотонів у всій структурі OLED.

Ви також дослідили, як оптична резонаторна структура впливає на ймовірність випромінювання фотонів з пристрою у вільний простір.

Метод матриці передачі забезпечує потужну та обчислювально ефективну основу для вивчення оптичної інтерференції, резонансів у резонаторах і ефективності випромінювання в OLED-пристроях.