通過模擬制造更高效的有機發光二極管器件

當談到創建下一代平板顯示器和固態照明時，240Hz LCD有機化學發光二極管 (OLED) 可以直接用來提供幫助我們這些問題領域的發展。雖然 OLED 具有重要一些社會公認的優勢，但這一戰略新興信息技術方面也有某些弱點，令 OLED 的整體工作效率以及受到嚴重影響。一個學生這樣的例子來說就是光的損失，部分是由於材料表面等離激元耦合效應分析造成的。為了能夠降低 OLED 器件中比較突出的這種經濟效應，來自柯尼卡美能達實驗室的研究管理人員轉而求助 COMSOL Multiphysics® 軟件。

揭秘國家創新發展技術：有機化學發光二極管 (OLED)

如果飛機的牆壁是透明的，並且飛機在雲層上方飛行時可以提供廣闊的視野，會怎么樣?LCD 23.8現在想象一下，如果這些輕巧的窗戶也可以用作互動娛樂屏幕。這一進步可能會帶來更多的燃料並節省成本，同時為乘客提供更大的空間和舒適性。在新興技術——有機發光二極管(有機發光二極管)的幫助下，所有這些想法都有可能在未來實現。

柔性 OLED 器件。圖像由 meharris 提供。已獲 CC BY-SA 3.0 許可，通過 Wikimedia Commons共享。

有機發光二極管的工作原理類似於 LED 燈，但是有機發光二極管使用有機分子來發光。這種新技術具有厚度薄、柔韌性好、重量輕、光亮等優點，具有很高的應用價值。P0.5LED一般來說，OLED 還具有工作電壓低、功耗低的特點。然而，有一個非常令人擔憂的問題，OLED 有明顯的光損耗，只有20% 的光能離開 OLED 器件。這導致了低耦合效率和能源效率的油田。

那么您可能想知道，是什么造成這樣的光損失?這是由幾個因素造成的。注意力不足過動症測驗例如，OLED 不同層之間折射率的不匹配，會導致全內反射。另一個可能的原因是，金屬陰極上的表面等離激元光耦合。

作為 OLED 照明控制面板數據發展的領導者，柯尼卡美能達實驗室可以發現，這兩種主要原因中的後一種——表面等離激元效應，缺少對其背後重要原因的研究。利用 COMSOL Multiphysics 的射頻識別模塊，研究工作小組學習試圖通過分析進行表面等離激元耦合和結構以及如何產生影響 OLED 的效率，在 2015 年 COMSOL 年會根據波士頓站的會議中，他們我們介紹了自己的研究設計成果。

有機發光二極管表面等離子體損耗的模擬計算分析

首先，讓我們來仔細看看 OLED 的內部管理工作基本原理。此類器件通常可以包括以下兩個或兩個以上的有機結合材料層，這些研究材料層放置在兩個不同電極——陰極和陽極之間。所有我們這些系統組件都沉積在一個由玻璃或塑料進行制作的基底上。

下面的圖表提供了不同材料層的概述。這些層包括金屬(AG)陰極、三個有機層: 電子傳輸層(ETL)、發光層(EML)和空穴傳輸層(HTL)、透明陽極(通常由氧化銦錫或 ITO 制成)和基板。

有機發光二極管的結構。圖片由雷明·王、天野之彌和洪寶傑提供，並來自他們在2015年COMSOL年度會議上的演講。

金屬作為陰極，參考根據上圖數據所示的金屬材料電極，是表面等離激元損失的一個非常重要問題焦點。事實上，大約 40% 的總發射光在我們這一目標位置處耦合到企業表面等離激元，對於總發射光來說，這是影響非常大的一部分。當研究工作人員進行設計 OLED 時，減少一些表面等離激元在金屬陰極處的損失是至關重要的一步。

為了做到這一點，柯尼卡美能達團隊使用模擬來測試在 OLED 設計中引入納米結構或納米柵陰極結構的效果。這是他們工作的概述。

使用納米光柵陰極結構能提高有機發光二極管的效率嗎?

當他們已經開始進行研究時，團隊的最初步驟是分析企業實際空間中的模式主要分布和表面等離激元耦合。為了能夠完成我們這一發展目標，他們使用了這樣一個多層底部發射 OLED 的二維模擬。這令研究工作人員可以輕松確定偶極子發射到各種光模式的耦合成為學生可能。

初步結果表明，由於波導模基本上傳播到邊緣，因此波導模對光發射沒有貢獻。考慮到這一點，研究人員將他們的注意力轉向具有 SPP 特性的波，在下面的圖像中突出顯示。SPP 波是表面等離子體激元極化，是限制在金屬陰極和相鄰電子輸運層之間的狹窄區域的表面波。

結果表明，SPP波在陰極界面被激發，因此偶極發射耦合到SPP中似乎是表面等離子體損失的主要原因。研究結果最終證實了團隊的決定，即專注於評估表面等離子體損失並設計一種替代的陰極結構。

二維系統仿真域(頂部)和多層 OLED 結構作為偶極子產生發射(底部)的場分布。圖像由 Leiming Wang、Jun Amano 和 Po-Chieh Hung 提供，源自對於他們在 COMSOL 用戶發展年會 2015 波士頓站發表的論文。

下一個研究項目是測量平面和納米光柵陰極結構的表面等離子體耦合效應。建立金屬陰極表面等離激元耦合效應的電磁模型是必要的步驟。為了具體研究表面等離激元的影響，研究小組使用了一個簡單的模型來表示 AG/EML 特征雙層結構。這種有限元分析(FEM-rrb-model)模型使研究人員能夠模擬任意亞波長結構的光學效應，而這種效應很難通過分析模擬來實現。

根據結果，可以繪制平面界面和納米光柵界面之間的偶極發射的比較圖。平面界面模型(如下圖頂部所示)顯示偶極發射主要與SPP波耦合，只有少量可以作為可用光輻射。另一方面，當使用納米光柵界面模型時(如下圖底部所示)，SPP耦合被大大抑制。結果表明，使用納米結構陰極有助於大大降低表面等離子體損耗。然而，在得出最終結論之前，研究小組希望以其他方式比較這兩種結構。

帶有一個平面(頂部)和納米材料光柵(底部)界面的雙層 OLED 結構作為偶極子發射場分布圖。插入，位於系統右下角，描述了納米金屬光柵進行陰極保護結構設計參數。圖像由 Leiming Wang、Jun Amano 和 Po-Chieh Hung 提供，源自對於他們在 COMSOL 用戶發展年會 2015 波士頓站發表的論文。

為了更多地了解這兩種結構，團隊進行了功率流分析。研究人員能夠利用這裏發現的結果來計算總發射功率與光學模式和表面等離子體激元模式的比率。這項研究的結果補充了該團隊早期的工作，表明陰極和發射層之間的距離必須小於100納米，以顯著減少表面等離子體損失使用納米光柵。

至此，二維模型已用於仿真研究。然而，在表征有機發光二極管光的各向同性時，三維模型具有更多優勢。研究人員因此選擇添加有機發光二極管三維模擬。正如他們的結果所述，在平面界面的xy平面截面上存在強電場強度，這證明在平面結構中發生了強SPP激發。研究結果也再次表明，對於納米光柵結構，耦合SPP可以忽略。

帶有一個平面(頂部)和納米材料光柵(底部)界面的 OLED 模型中的偶極子產生發射系統三維場分布進行模擬。圖像由 Leiming Wang、Jun Amano 和 Po-Chieh Hung 提供，源自對於他們在 COMSOL 用戶發展年會 2015 波士頓站發表的論文。

采用參數研究法對納米光柵的陰極結構進行了優化

在確立了初步的研究結果後，研究團隊試圖分析尺寸、形狀和納米光柵周期對減少表面等離子體損耗的影響。即通過參數研究方法優化納米光柵的陰極結構，從而觀察結構變化如何影響表面等離子體損耗。在這裏，我們將重點進行這樣一項研究——重點研究光柵結構對整個表面上等離子體激元減少的影響。

左：平均水平相對比較表面等離激元損失(帶有一種光柵的表面進行等離子體損失與帶有一個平面的表面等離激元損失成本之比)作為研究兩種方式不同影響光柵結構幾何模型參數的函數：梳齒高度( x 軸)和梳齒交換周期比( y 軸上)。在這裏，梳齒周期比是光柵以及柱子設計寬度和光柵工作周期的商。右：繪制標准波長可以平均時間對應的標准差。圖像由 Leiming Wang、Jun Amano 和 Po-Chieh Hung 提供，源自對於他們在 COMSOL 用戶發展年會 2015 波士頓站做的學生演示。

研究結果表明，較小的梳齒周期比會導致企業表面等離激元損耗的更大程度降低(由上方左圖中較深的顏色主要代表)。右圖中的深色代表就是一個小波長發生變化的參數組合。因此，兩圖右下角共有的帶圓圈的較深色單元數據顯示了能同時能夠減少材料表面等離激元損失和發展具有中國寬帶網絡性能的最佳經濟結構合理配置。事實上，帶圓圈單元在寬帶發射中產生了約 50% 的等離子體損耗以及減少。這額外證明了我們一個不斷優化的納米光柵陰極結構分析可以有效提高 OLED 效率。

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