模擬為更高效的 OLED 器件鋪平道路

01-27

當談到創建下一代平板顯示器和固態照明時，有機發光二極體 (OLED) 可以用來幫助這些領域的發展。雖然 nOLED 具有一些公認的優勢，但這一新興技術也有某些弱點，令 OLED n的整體效率受到影響。光損失就是其中一例，為了降低 OLED n器件中比較突出的這種效應，來自柯尼卡美能達實驗室的研究人員轉而求助 COMSOL Multiphysics? 軟體。

揭秘創新技術：有機發光二極體 (OLED)

如果飛機的牆壁是透明的、飛機在雲上的高空飛行時能夠提供一個廣闊的視野，那會怎麼樣？現在想像一下，如果同樣這些輕量級的窗口也可以作為互動娛樂屏幕。這種進步可能帶來更多燃料和成本的節省，同時進一步為乘客提供空間和舒適性。在一種新興技術——有機發光二極體 (OLED) 的幫助下，這些想法都可能在未來變為現實。

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。

OLED 的功能類似於 LED 燈，但 OLED n使用有機分子發光。這種新技術具有許多良好的特性，如厚度薄，可彎曲，重量輕，以及光線明亮，令其非常有市場前景。除此之外，OLED 還具有低工作電壓和低功耗的特點。然而有一個非常令人擔憂的問題，OLED 具有顯著的光損失，其發出的光只有 20% 能離開 OLED 器件。這導致n OLED 的耦合效率和能量效率較低。

到底是什麼造成這樣的光損失？通常是由以下幾個因素造成的。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 照明面板創新的領導者，柯尼卡美能達實驗室發現，這兩種原因中的後一種——表面等離激元效應，業界一直缺少對其背後原理的研究。利用 nCOMSOL Multiphysics 的射頻模塊，研究小組試圖分析表面等離激元耦合和結構如何影響 OLED 的效率，在 2015 年 nCOMSOL 年會波士頓站的會議中，他們介紹了自己的研究成果。

利用模擬計算分析 OLED 的表面等離激元損失

首先，讓我們來仔細看看 OLED 的內部工作原理。此類器件通常包括兩個或兩個以上的有機材料層，這些材料層放置在兩個電極——陰極和陽極之間。所有這些組件都沉積在一個由玻璃或塑料製作的基底上。

下面的圖表提供了各個不同材料層的概述。這些層包括金屬 (Ag) 陰極；三層有機層：電子傳輸層 (ETL)，發光層 (EML)，以及空穴傳輸層 (HTL)；透明陽極（通常由銦錫氧化物即 ITO 製成）和基底。

OLED 的結構。圖像由 Leiming Wang、Jun Amano 和 Po-Chieh Hung 提供，源自他們在 COMSOL 用戶年會 2015 波士頓站做的演示。

金屬陰極，參考上圖所示的金屬電極，是表面等離激元損失的一個重要焦點。事實上，大約 40% 的總發射光在這一位置處耦合到表面等離激元，對於總發射光來說，這是非常大的一部分。當研究人員設計 OLED 時，減少表面等離激元在金屬陰極處的損失是至關重要的一步。

為做到這一點，柯尼卡美能達實驗室的研究小組利用模擬，測試將納米結構或納米光柵陰極結構引入 OLED 設計所帶來的影響。以下是對他們研究成果的概述…

利用納米光柵陰極結構能提高 OLED 的效率嗎？

當他們開始研究時，團隊的最初步驟是分析實際空間中的模式分布和表面等離激元耦合。為了完成這一目標，他們使用了一個多層底部發射 OLED 的二維模擬。這令研究人員輕鬆確定偶極子發射到各種光模式的耦合成為可能。

最初結果表明，波導模式對於光發射沒有貢獻，因為它本質上向邊緣傳播。考慮到這一點，研究者的注意力轉移到一種具有 SPP 波特性的波，如下圖中高亮部分所示。SPP 波是表面等離激元極化，這是一種表面波，被限制在金屬陰極和相鄰電子傳輸層之間的狹窄區域內。

研究表明，SPP 波是在陰極界面激發的，因此偶極子發射進入 SPP 的耦合似乎是表面等離激元損失的主要原因。研究結果最終證實了該團隊的決定——專註於評估表面等離激元損失和設計一個替代的陰極結構。

二維模擬域（頂部）和多層 OLED 結構偶極子發射（底部）的場分布。圖像由 Leiming Wang、Jun Amano 和 Po-Chieh Hung 提供，源自他們在 COMSOL 用戶年會 2015 波士頓站發表的論文。

研究名單上的下一個項目是，測量平面和納米光柵陰極結構的表面等離激元耦合效應。創建金屬陰極處表面等離激元耦合效應的電磁模型，是分析研究的一個必需的步驟。為了具體研究表面等離激元的影響，研究小組使用一個簡單的模型來代表 Ag/EML 特徵雙層結構。有限元法 (FEM) 模型使研究人員能夠模擬任意亞波長結構產生的光學效應，這很難通過解析模擬來實現。

從結果來看，可以為平面界面和納米光柵界面的偶極子發射繪製一個比較圖。平面界面模型（顯示在下圖的頂部）結果顯示，偶極子發射主要耦合到 SPPn 波，只有少量能輻射出來成為可用光。另一方面，使用納米光柵界面模型（顯示在下圖的底部）時，SPP n耦合被大大地抑制。這樣的研究結果表明，使用納米結構陰極有助於大幅降低表面等離激元損失。然而，在得出最終結論之前，研究小組希望以一些其他方式比較這兩種結構。

帶有平面（頂部）和納米光柵（底部）界面的雙層 OLED 結構偶極子發射場分布圖。插入，位於右下角，描述了納米光柵陰極結構參數。圖像由 Leiming Wang、Jun Amano 和 Po-Chieh Hung 提供，源自他們在 COMSOL 用戶年會 2015 波士頓站發表的論文。

為了進一步深入了解兩種結構，研究小組進行了功率流分析。研究人員能夠使用在這裡發現的結果來計算總發射功率的分配到光模式和表面等離激元模式的比例。本研究得到的結果完善了團隊的早期研究，使用納米光柵結構時，如果要大幅降低表面等離激元損失，陰極與發射層之間的距離必須小於n 100 nm。

到這個結果為止，模擬研究還一直使用二維模型。然而，在表徵 OLED 光的各向同性本質時，三維模型更有優勢。研究人員因此選擇添加 OLED n三維模擬。就像他們的結果描述的那樣，較強電場強度存在於平面界面的 xy 平面橫截面上，證實強 SPP n激發發生在平面結構中。研究結果還重申，對於納米光柵結構，耦合 SPP 可以忽略不計。

帶有平面（頂部）和納米光柵（底部）界面的 OLED 模型中的偶極子發射三維場分布模擬。圖像由 Leiming Wang、Jun Amano 和 Po-Chieh Hung 提供，源自他們在 COMSOL 用戶年會 2015 波士頓站發表的論文。

利用參數研究法優化納米光柵的陰極結構

建立初步研究結果後，團隊嘗試分析尺寸、形狀和納米光柵周期對錶面等離激元損失減少的影響。即利用參數研究法優化納米光柵陰極結構，從而觀察結構變化如何影響表面等離激元損失。這裡，我們將專註於一個這樣的研究——著眼於光柵結構對整體表面等離激元減少的影響。

左：平均相對錶面等離激元損失（帶有光柵的表面等離子體損失與帶有平面的表面等離激元損失之比）作為兩種不同光柵幾何參數的函數：梳齒高度（ xn 軸）和梳齒周期比（ y 軸上）。在這裡，梳齒周期比是光柵柱子寬度和光柵周期的商。右：繪製波長平均對應的標準差。圖像由 Leiming nWang、Jun Amano 和 Po-Chieh Hung 提供，源自他們在 COMSOL 用戶年會 2015 波士頓站做的演示。

研究表明，較小的梳齒周期比會導致表面等離激元損耗的更大降低（由上方左圖中較深的顏色代表）。右圖中的深色代表一個小波長變化的參數組合。因此，兩圖右下角共有的帶圓圈的較深色單元顯示了能同時減少表面等離激元損失和具有寬頻性能的最佳結構配置。事實上，帶圓圈單元在寬頻發射中產生了約n 50% 的等離子體損耗減少。這額外證明了一個優化的納米光柵陰極結構可以提高 OLED 效率。

OLED 器件擁有光明的未來

這裡著重說明的模擬研究標誌著 OLED 研究的關鍵點，在實際空間中可視化模式分布和 OLED 的表面等離激元耦合。研究結果為設計的進一步創新研究和技術的優化提供了機會。由於 OLED 的效率不斷提高，其廣泛的商業用途也將增加。

了解有關在 COMSOL Multiphysics? 中模擬照明技術的更多信息

請閱讀這篇論文：」Simulating Plasmon Effect in Nanostructured OLED Cathode Using COMSOL Multiphysics「
我們之前的博客中也有很多關於模擬在優化光源中所起作用的內容。可參看以下文章：n
- 基於普通光源計算髮射光譜
- 通過模擬透光管優化透射率
- App：測量線光柵的衍射效率