Ansys Lumerical | 使用 STACK 求解器優化 OLED

01說明

此示例將使用 STACK 求解器來計算有機發光二極管(OLED)的提取效率和與角度相關的色偏。并在案例最后，將 Lumerical 優化后的結構光型輸出用于 Ansys SPEOS，讓設計人員可以在其中直接體驗納米級設計選擇如何影響人類感知。

(相關資料圖)

02 綜述

首先在 STACK 求解器中搭建模型與參考文獻比較，對萃取效率與色偏討論。接著以一組優化的 RGB 像素發光特性為例，示范輸出給 SPEOS 的光源檔案。

步驟1：使用 STACK 重新創建測試微腔結果

在這一步中，我們模擬了來自文獻中結構: 器件1~3陽極使用 ITO,器件4~6則使用鋁，分別代表弱與強共振腔效應的器件，編號由小到大的器件分別對應電子傳輸層(ETL)厚度為[40,60,80]納米。

下圖為從 STACK 求解器與相關腳本 stackpurcell 函數得出的結果，是6個不同器件的輻射功率密度與波長、角度的關系。圖中可看出強微腔效應的器件, 峰值發射波長發生了顯著變化，且隨著角度的增加峰向更短的波長彎曲,即所謂的藍移，是強微腔中與角度相關的色偏主要原因。而弱微腔效應的器件峰值發射波長都為520納米,整個帶寬相對寬，如用于顯示器應用代表色彩純度差。而器件1~4,輻射功率密度在大角度下降很快，如在顯示器應用代表視角小。器件5與6雖然解決了視角問題，但波長明顯隨著角度變化，會引發明顯色偏。這些器件的差異證明了顏色純度和顏色失真之間的權衡。

下圖表示器件在極坐標下的歸一化場型，藍色曲線是 STACK 求解器的結果，與文獻的綠色曲線相當一致。也可從器件4-6中觀察到微腔效應如何影響視角范圍。

接下來從 STACK 求解器相關函數 stackdipole 計算 X、Y、Z 三色值并轉換為 u’ 和 v’ 以與論文直接比較。下圖顯示三色值隨角度變化的軌跡。可看出弱微腔器件色偏范圍很小，位置離色度圖邊界較遠。而強微腔器件隨角度變化軌跡長，但位置離色度圖邊界近。

顏色坐標對發光層的亮度光譜以及材料特性非常敏感，微小的材料差異就能導致較大的結果差異，因此正確的材料信息是必須的。

步驟2：計算優化的 RGB 結果

此步驟繪制了優化后的 RGB 像素的發射特性。案例展示了如何最小化每個像素顏色的角度依賴性，并討論和演示如何將這些 STACK 結果導出到 SPEOS。

下圖繪制了 RGB 像素發光層頻譜范圍,與器件的輻射功率密度與波長、角度關系圖。兩者重疊部分即是最后的發光頻譜。請注意，即使紅色腔確實在藍色中有二次發射，但因與 EL 發射光譜不重疊；因此該像素不會發出藍光。

再次從 stackdipole 算出 X、Y、Z 顏色坐標，并轉換為 u’ 和 v’ 坐標。繪制在下面的色度圖中。

顯示器其他顏色將通過混合 RGB 產生，并且由這些點定義的區域（稱為色域）將提供可以由該顯示器表示的可能顏色空間。我們可以看到純 RGB 像素色坐標與校正的與色度圖邊界相鄰，表示這些像素提供出色的色純度，讓該顯示設備的色域可幾乎覆蓋人類可感知的所有顏色。

在 u’ 和 v’ 的圖中，我們可以看到存在一些不可避免的顏色偏移。但與我們上一步分析的測試設備相比，優化后的設備表現較佳。

接下來我們將結果生成RGB的 *.xmp 文件并導出到 SPEOS， 這是通過預先編寫的函數完成的。請注意，綠色像素的峰值發射不是垂直入射。這是由于腔諧振的theta=0與發射光譜峰的沒有對準導致。

最后我們假設 100x100um 像素，電流密度為 1 A/m 2 ，相當于每個子像素 10 nA 的電流。每個子像素的發射功率可以稍后在 SPEOS 中進行調整。