当谈到创建下一代平板显示器和固态照明时，有机发光二极管 (OLED) 可以用来帮助这些领域的发展。虽然 OLED 具有一些公认的优势，但这一新兴技术也有某些弱点，令 OLED 的整体效率受到影响。一个这样的例子就是光的损失，部分是由于表面等离激元耦合效应造成的。为了降低 OLED 器件中比较突出的这种效应，来自柯尼卡美能达实验室的研究人员转而求助 COMSOL Multiphysics® 软件。
揭秘创新技术：有机发光二极管 (OLED)
如果飞机的墙壁是透明的、飞机在云上的高空飞行时能够提供一个广阔的视野，那会怎么样？现在想象一下，如果同样这些轻量级的窗口也可以作为互动娱乐屏幕。这种进步可能带来更多燃料和节省成本，同时为乘客提供进一步的空间和舒适性。在一种新兴技术——有机发光二极管 (OLED) 的帮助下，这些想法都可能在未来变为现实。
柔性 OLED 器件。图像由 meharris 提供。已获 CC BY-SA 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons共享。
OLED 的功能类似于 LED 灯，但 OLED 使用有机分子发光。这种新技术有许多良好的特性，如厚度薄，可弯曲，重量轻，以及光线明亮，因此令它很有价值。总的来说，OLED 还具有低工作电压和低功耗的特点。然而有一个非常令人担忧的问题，OLED 具有显著的光损失，其发出的光只有 20% 能离开 OLED 器件。这导致 OLED 的耦合效率和能量效率较低。
那么您可能想知道，是什么造成这样的光损失？这是由几个因素造成的。例如，OLED 不同层之间折射率的不匹配，会导致全内反射。另一个可能的原因是，金属阴极上的表面等离激元光耦合。
作为 OLED 照明面板发展的领导者，柯尼卡美能达实验室发现，这两种原因中的后一种——表面等离激元效应，缺少对其背后原因的研究。利用 COMSOL Multiphysics 的射频模块，研究小组试图分析表面等离激元耦合和结构如何影响 OLED 的效率，在 2015 年 COMSOL 年会波士顿站的会议中，他们介绍了自己的研究成果。
利用仿真计算分析 OLED 的表面等离激元损失
首先，让我们来仔细看看 OLED 的内部工作原理。此类器件通常包括两个或两个以上的有机材料层，这些材料层放置在两个电极——阴极和阳极之间。所有这些组件都沉积在一个由玻璃或塑料制作的基底上。
下面的图表提供了各个不同材料层的概述。这些层包括金属 (Ag) 阴极；三层有机层：电子传输层 (ETL)，发光层 (EML)，以及空穴传输层 (HTL)；透明阳极（通常由铟锡氧化物即 ITO 制成）和基底。
OLED 的结构。图像由 Leiming Wang、Jun Amano 和 Po-Chieh Hung 提供，源自他们在 COMSOL 用户年会 2015 波士顿站做的演示。
金属阴极，参考上图所示的金属电极，是表面等离激元损失的一个重要焦点。事实上，大约 40% 的总发射光在这一位置处耦合到表面等离激元，对于总发射光来说，这是非常大的一部分。当研究人员设计 OLED 时，减少表面等离激元在金属阴极处的损失是至关重要的一步。
为做到这一点，柯尼卡美能达实验室的研究小组利用仿真，测试将纳米结构或纳米光栅阴极结构引入 OLED 设计所带来的影响。以下是对他们研究成果的概述…
利用纳米光栅阴极结构能提高 OLED 的效率吗？
当他们开始研究时，团队的最初步骤是分析实际空间中的模式分布和表面等离激元耦合。为了完成这一目标，他们使用了一个多层底部发射 OLED 的二维模拟。这令研究人员轻松确定偶极子发射到各种光模式的耦合成为可能。
最初结果表明，波导模式对于光发射没有贡献，因为它本质上向边缘传播。考虑到这一点，研究者的注意力转移到一种具有 SPP 波特性的波，如下图中高亮部分所示。SPP 波是表面等离激元极化，这是一种表面波，被限制在金属阴极和相邻电子传输层之间的狭窄区域内。
研究表明，SPP 波是在阴极界面激发的，因此偶极子发射进入 SPP 的耦合似乎是表面等离激元损失的主要原因。研究结果最终证实了该团队的决定——专注于评估表面等离激元损失和设计一个替代的阴极结构。
二维仿真域（顶部）和多层 OLED 结构偶极子发射（底部）的场分布。图像由 Leiming Wang、Jun Amano 和 Po-Chieh Hung 提供，源自他们在 COMSOL 用户年会 2015 波士顿站发表的论文。
研究名单上的下一个项目是，测量平面和纳米光栅阴极结构的表面等离激元耦合效应。创建金属阴极处表面等离激元耦合效应的电磁模型，是分析研究的一个必需的步骤。为了具体研究表面等离激元的影响，研究小组使用一个简单的模型来代表 Ag/EML 特征双层结构。有限元法 (FEM) 模型使研究人员能够模拟任意亚波长结构产生的光学效应，这很难通过解析模拟来实现。
从结果来看，可以为平面界面和纳米光栅界面的偶极子发射绘制一个比较图。平面界面模型（显示在下图的顶部）结果显示，偶极子发射主要耦合到 SPP 波，只有少量能辐射出来成为可用光。另一方面，使用纳米光栅界面模型（显示在下图的底部）时，SPP 耦合被大大地抑制。这样的研究结果表明，使用纳米结构阴极有助于大幅降低表面等离激元损失。然而，在得出最终结论之前，研究小组希望以一些其他方式比较这两种结构。
带有平面（顶部）和纳米光栅（底部）界面的双层 OLED 结构偶极子发射场分布图。插入，位于右下角，描述了纳米光栅阴极结构参数。图像由 Leiming Wang、Jun Amano 和 Po-Chieh Hung 提供，源自他们在 COMSOL 用户年会 2015 波士顿站发表的论文。
为了进一步深入了解两种结构，研究小组进行了功率流分析。研究人员能够使用在这里发现的结果来计算总发射功率的分配到光模式和表面等离激元模式的比例。本研究得到的结果完善了团队的早期研究，使用纳米光栅结构时，如果要大幅降低表面等离激元损失，阴极与发射层之间的距离必须小于 100 nm。
到这个结果为止，模拟研究还一直使用二维模型。然而，在表征 OLED 光的各向同性本质时，三维模型更有优势。研究人员因此选择添加 OLED 三维仿真。就像他们的结果描述的那样，较强电场强度存在于平面界面的 xy 平面横截面上，证实强 SPP 激发发生在平面结构中。研究结果还重申，对于纳米光栅结构，耦合 SPP 可以忽略不计。
带有平面（顶部）和纳米光栅（底部）界面的 OLED 模型中的偶极子发射三维场分布模拟。图像由 Leiming Wang、Jun Amano 和 Po-Chieh Hung 提供，源自他们在 COMSOL 用户年会 2015 波士顿站发表的论文。
利用参数研究法优化纳米光栅的阴极结构
建立初步研究结果后，团队尝试分析尺寸、形状和纳米光栅周期对表面等离激元损失减少的影响。即利用参数研究法优化纳米光栅阴极结构，从而观察结构变化如何影响表面等离激元损失。这里，我们将专注于一个这样的研究——着眼于光栅结构对整体表面等离激元减少的影响。
左：平均相对表面等离激元损失（带有光栅的表面等离子体损失与带有平面的表面等离激元损失之比）作为两种不同光栅几何参数的函数：梳齿高度（ x 轴）和梳齿周期比（ y 轴上）。在这里，梳齿周期比是光栅柱子宽度和光栅周期的商。右：绘制波长平均对应的标准差。图像由 Leiming Wang、Jun Amano 和 Po-Chieh Hung 提供，源自他们在 COMSOL 用户年会 2015 波士顿站做的演示。
研究表明，较小的梳齿周期比会导致表面等离激元损耗的更大降低（由上方左图中较深的颜色代表）。右图中的深色代表一个小波长变化的参数组合。因此，两图右下角共有的带圆圈的较深色单元显示了能同时减少表面等离激元损失和具有宽带性能的最佳结构配置。事实上，带圆圈单元在宽带发射中产生了约 50% 的等离子体损耗减少。这额外证明了一个优化的纳米光栅阴极结构可以提高 OLED 效率。
OLED 器件拥有光明的未来
这里着重说明的仿真研究标志着 OLED 研究的关键点，在实际空间中可视化模式分布和 OLED 的表面等离激元耦合。研究结果为设计的进一步创新研究和技术的优化提供了机会。由于 OLED 的效率不断提高，其广泛的商业用途也将增加。
了解有关在 COMSOL Multiphysics® 中模拟照明技术的更多信息
- 请阅读这篇论文：”Simulating Plasmon Effect in Nanostructured OLED Cathode Using COMSOL Multiphysics“
- 我们之前的博客中也有很多关于仿真在优化光源中所起作用的内容。可参看以下文章：
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