Моделирование прокладывает путь для более эффективных OLED-устройств

Caty Fairclough | 07/04/2016
List us on Facebook Folow us on Twitter Join us on Google+ Connect with us on LinkedIn

При разработке следующего поколения плоских дисплеев и твердотельных систем освещения, органические светодиоды (organic light-emitting diodes — OLEDs), могут оказаться полезными. Несмотря на признание своих неоспоримых преимуществ, эта развивающаяся технология страдает от некоторых недостатков, которые снижают его общую эффективность. Одним из примеров таких "уязвимых" мест, являются световые потери, которые частично вызваны эффектом плазмонного взаимодействия. В поиске возможности уменьшить значимость эффекта в OLED-устройствах, исследователи из лаборатории Konica Minolta обратились к программному пакету COMSOL Multiphysics®.

Прольем свет на инновационную технологию: органические
светодиоды

Что, если бы корпус самолета оказался прозрачным, предлагая роскошный обзор во время полета высоко над облаками? Теперь, представьте, что те же самые окна могли бы одновременно служить в качестве интерактивных развлекательных экранов. Такие улучшения могли бы привести к большой экономии топлива и средств, обеспечивая в то же время дополнительное пространство и комфорт для пассажиров. С помощью новой технологии — органических светодиодов — эти идеи близки к реализации.

An OLED device Моделирование прокладывает путь для более эффективных OLED устройств
Гибкое OLED-устройство. Изображение предоставлено meharris. Лицензия CC BY-SA 3.0, в Wikimedia Commons.

OLEDs работают аналогично обычным светодиодным устройствам, за исключением того, что они используют органические молекулы для излучения света. Эта новейшая технология ценится за множество положительных качеств, среди которых стоит отметить следующие: тонкость, гибкость, легкость и яркость. В целом, OLEDs также характеризуются низким рабочим напряжением, равно как и низким энергопотреблением. Значительные световые потери, однако, являются серьезной проблемой — ведь только 20% излучаемого света покидают OLED-устройства. Это приводит к низкой выходной эффективности и низкой энергоэффективности.

Так что же является причиной таких световых потерь? Существует несколько основных факторов. Например, несоответствие в показателе преломления между различными OLED-слоями может привести к полному внутреннему отражению. Другим потенциальным источником является взаимодействие света с поверхностными плазмонами на металлическом катоде.

Как лидер в разработке OLED-осветительных панелей, лаборатория Konica Minolta заметила недостаток исследований в последнем из этих двух случаев — плазмонном эффекте. Используя модуль Радиочастоты среды COMSOL Multiphysics, группа попыталась проанализировать, как плазмонное взаимодействие и структура OLEDs влияет на эффективность органических светодиодов, представив свои выводы на Конференции COMSOL-2015 в Бостоне.

Использование моделирования для анализа плазмонных потерь в OLED-устройствах

Для начала, давайте поближе рассмотрим принципы работы OLED. Такие устройства обычно состоят из двух или более слоев органического материала, помещенных между двумя электродами: анодом и катодом. Все эти компоненты наносятся на подложку, которой чаще всего является стекло или пластик.

На схеме ниже приводится взаимное расположение различных отдельных слоев. Слои включают в себя металлический (Ag) катод; три органических слоя: слой проводника электронов (electron transport layer — ETL), светоизлучающий слой (emitting layer — EML), и слой проводника дырок (hole transport layer — HTL); прозрачный анод (обычно выполненный из оксида индия-олова — ITO); и подложки.

An OLED structure Моделирование прокладывает путь для более эффективных OLED устройств
Структура OLED. Изображение предоставлено Leiming Wang, Jun Amano, and Po-Chieh Hung и взято из их презентации на Конференции COMSOL-2015 в Бостоне.

Металлический катод, обозначенный на схеме выше как металлический электрод, является местом пристального внимания при рассмотрении плазмонных потерь. Действительно, около 40% суммарного количества излучаемого света пропадает из-за взаимодействия с поверхностными плазмонами в данной области, что является значительной долей от полного излучения. Поэтому снижение плазмонных потерь на металлическом катоде, является важным этапом при проектировании OLEDs.

Пытаясь ограничится исключительно этим, исследовательская группа из лаборатории Коника Минолта использовала моделирование для проверки влияния от присоединения наноструктурированного, или катода со структурой нанорешетки, в конструкцию своего OLED. Вот краткий обзор того, что они обнаружили…

Улучшит ли использование катода со структурой нанорешетки эффективность OLED?

Приступив к своим исследования, группа, в первую очередь, провела анализ распределения мод и плазмонного взаимодействия в реальном пространстве. Для этого, они использовали 2D моделирование многослойного OLED-устройства с областью излучения, расположенной внизу структуры. Это позволило легко определить долю дипольного излучения в различных световых модах.

Первоначальная серия результатов свидетельствует о том, что волноводная мода не дает вклада в эмиссию света, так как она, в основном, распространяется в стороны вдоль слоев структуры. Имея это в виду, исследователи переключили свое внимание на волну, обладающую ППП волновыми характеристиками, которую вы можете увидеть выделенной в нижней части следующего рисунка. Поверхностная плазмон-поляритонная (ППП) волна является поверхностной волной, которая заключена в узкой области на границе между металлическим катодом и соседним слоем электронного транспорта.

Исследования показывают, что возбуждение ППП волны на поверхности катода, и, соответственно, взаимосвязь дипольного излучения с ППП, представляется основной причиной плазмонных потерь. Полученные данные окончательно подтвердили решимость группы сосредоточиться на оценке плазмонных потерь и проектировании альтернативной катодной структуры.

2D simulation of a multilayer OLED Моделирование прокладывает путь для более эффективных OLED устройств
2D-сечение области моделирования (вверху) и распределение поля дипольного излучения многослойной OLED-структуры
(внизу). Изображение предоставлено Leiming Wang, Jun Amano, and Po-Chieh Hung и взято из их статьи на Конференции COMSOL-2015 в Бостоне.

Следующим по списку стало измерение эффекта плазмонного взаимодействия для плоского и наноструктурированного катода. Создание электромагнитной модели эффекта плазмонного взаимодействия на металлическом катоде стало необходимым шагом для анализа. В попытке сосредоточиться исключительно на плазмонном эффекте, группа использовала простую модель, представляющую собой структуру Ag/EML, объединяющую два слоя. Конечно-элементнаямодель позволила исследователям смоделировать оптические эффекты, возникающие в произвольных субволновых структурах, — результат, которого довольно трудно добиться с помощью аналитических вычислений.

По результатам можно провести сравнение между дипольным излучением для плоской границы раздела и границы раздела в виде нанорешетки. Модель плоской границы раздела (показано на изображении ниже в верхней его части) демонстрирует, что дипольное излучение, главным образом, взаимодействует с ППП-волной и лишь небольшое количество излучается наружу в виде используемого света. С другой стороны, ППП взаимодействие значительно подавляется при использовании границы раздела со структурой нанорешетки (показано на изображении ниже в нижней его части). Такие результаты позволяют предположить, что использование наноструктурированных катодов может помочь существенно сократить плазмонные потери. Прежде чем делать какие-либо окончательные выводы, группа захотела сравнить две структуры несколькими другими способами.

flat and nanograting dipole emission Моделирование прокладывает путь для более эффективных OLED устройств
Моделирования распределения поля дипольного излучения для двухслойной OLED структуры с плоской (вверху) и, в виде нанорешетки, границей раздела (внизу). Вставка, расположенная в нижнем правом углу, отображает структурные параметры катодной нанорешетки. Изображение предоставлено Leiming Wang, Jun Amano, and Po-Chieh Hung и взято из их статьи на Конференции COMSOL-2015 в Бостоне.

Для дальнейшего понимания сути структур, был проведен анализ потока энергии. Исследователям удалось использовать найденные здесь результаты расчета для определения разделения полной энергии излучения на световую и плазмонную моды. Результаты этого исследования уточнили более ранние исследования группы, предположив, что для существенного уменьшения плазмонных потерь при использовании структуры нанорешетки, катод и излучающий слой должны быть удалены друг от друга на расстоянии меньше, чем 100 нм.

Вплоть до этого момента, моделирование исследования заключалось в использовании 2D моделей. 3D-модели, однако, гораздо больше подходят для описания изотропной природы OLED-излучения. Поэтому исследователи решили добавить для полноты картины 3D моделирование OLED-структур. Как показали их результаты, в сечении ху-плоскостью на поверхности раздела существует поле большой интенсивности, подтверждая, что в плоской структуре возникает сильное ППП-возбуждение. Полученные данные также подтвердили, что взаимодействие с ППП незначительно для границы со структурой нанорешетки.

OLED 3D Simulations Моделирование прокладывает путь для более эффективных OLED устройств Моделирование 3D распределения поля дипольного излучения в OLED-модели с плоской (вверху) и, со структурой нанорешетки, поверхностью раздела (внизу). Изображение предоставлено Leiming Wang, Jun Amano, and Po-Chieh Hung и взято из их статьи на Конференции COMSOL-2015 в Бостоне.

Оптимизации структуры катодной нанорешетки при помощи параметрического исследования

Развивая свои первоначальные исследования, группа дополнительно попыталась проанализировать влияние размера, формы и периода нанорешетки на уменьшение плазмонных потерь. Это привело к параметрическому исследованию по оптимизации структуры катодной нанорешетки с целью оценки влияния ее структурных изменений на плазмонные потери. Здесь мы рассмотрим одно из таких исследований, в котором наблюдается за тем, как структура решетки влияет на общее снижение плазмонов.

Relative plasmon loss and SD of wavelength averaging Моделирование прокладывает путь для более эффективных OLED устройств
Слева: Средние относительные плазмонные потери (плазмонные потери с решеткой по отношению к плазмонным потерям с плоской поверхностью) как функция двух различных геометрических параметров решетки: уровня высоты (по х-оси) и степени скважности (по y-оси). Здесь, степень скважности есть отношение ширины прямоугольного профиля решетки к ее периоду. Справа: Графическое построение, соответствующее стандартному отклонению длины волны усреднения. Изображение предоставлено Leiming Wang, Jun Amano, and Po-Chieh Hung и взято из их презентации на Конференции COMSOL-2015 в Бостоне.

Исследования показывают, что меньшая степень скважности приводит к большему сокращению плазмонных потерь (выделено более темным цветом на левом верхнем рисунке). Темные цвета на рисунке справа обозначают сочетания параметров с малым изменением длины волны. Следовательно, обведенные кружком (темнее обычных) ячейки, в правом нижнем углу рисунков, указывают на оптимальную конфигурацию структуры, как для уменьшения плазмонных потерь, так и имеющих широкополосную характеристику. Действительно, обведенные ячейки осуществляют приблизительно 50% снижение плазмонных потерь в широкополосном излучении. Это служит дополнительным доказательством того, что оптимизированный катод со структурой нанорешетки может улучшить эффективность OLED.

OLED-устройства впереди ждет светлое будущее

Представленные здесь исследования с возможностью визуализации в реальном пространстве при помощи моделирования, распределения мод и плазмонного взаимодействия OLEDs, отмечают поворотный момент в исследовании OLED. Результаты исследования открывают возможности для дальнейших инновационных исследований в области разработки и оптимизации технологии. По мере роста эффективности OLEDs, ихширокое коммерческое применение будет возрастать.

Узнайте больше об моделировании световых технологий в среде COMSOL Multiphysics®


Loading Comments...

Categories


Tags