托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）在 1879 年撥動開關，點亮了世界上第一個具有實用意義的燈泡。此后的一個半世紀，人們對更先進光源的探索從未停歇，相繼發明了多種不同的照明技術，帶來了高亮度、高色彩品質、可調光以及低廉的生命周期成本等諸多特性。

有機發光二極管（organic light emitting diode）又稱 OLED，因其可被制成形狀各異、大小不一的輕薄發光面板而備受關注。OLED 可被用于制作柔性或可彎曲的照明裝置，時常被安裝在帶有平面或曲面的部件上，用于制造諸如汽車尾燈的各類零件，甚至還能用其制造出極具藝術魅力的“光之花”（見圖 1）。

圖 1. 豪斯登堡（Huis Ten Bosch）是位于日本長崎縣佐世保市的一個充滿荷蘭風情的主題公園。柯尼卡美能達公司聯合園方一同開發出“OLED 郁金香”，在郁金香節的夜晚放出奇光異彩。

OLED 雖然具有諸多優點，但與其同胞兄弟 LED 相比，卻在亮度和節能方面稍顯遜色。鑒于此方面的原因，柯尼卡美能達（Konica Minolta）公司的研究人員們正在全力以赴地研發更先進的設計方案，以滿足人們不斷增長的照明需求。柯尼卡美能達公司是世界領先的 OLED 制造商，常年與日本各重點大學開展密切合作，致力于開發成像和光學領域的先進儀器。

Leiming Wang 博士是美國加利福尼亞州圣馬特奧市（San Mateo，California）柯尼卡美能達實驗室的高級研究員。他與研究團隊中的其他成員一起專注于使用數值仿真來分析 OLED 的光損失機理，希望通過虛擬測試找到改進設計的方法。“雖然 OLED 具有很多優點，但在使用中還是存在諸多局限性，我們正在努力將這些不利因素減至最少。”他介紹道，“對 OLED 效率影響最大的因素是由光在裝置內部的相互作用而引起的復雜等離激元耦合現象，這一作用會造成高達 40% 的光損失。”

OLED 的工作原理

OLED 由嵌在正電極（陽極）、負電極（陰極）中間的有機半導體構成。圖 2 顯示了 OLED 器件的構造，包括一個由透明銦錫氧化物（ITO）制成的陽極和一個銀制的陰極，兩個電極之間的三個有機層組成。三個有機層分別為：空穴傳輸層（hole transport layer，簡稱 HTL）、發光層（electron transport layer，簡稱 EML）和電子傳輸層（electron transport layer，簡稱 ETL），它們都被集成在一個玻璃基板上，當器件開啟時，光就會穿過這個玻璃基板。

圖 2. OLED 多層結構示意圖，圖中顯示了多種類型的光損失。圖注：Substrate - 基底；Substrate mode - 基底模式；Waveguide mode - 波導模式；Surfaceplasmons - 表面等離激元；Metal electode - 金屬電極

當施加電流時，電子注入陰極，并在陽極形成空穴。電子和空穴會穿過各個層相向運動，最終在發光層相遇并結合，將能量以光子的形式釋放出來。這一過程在電流通過時會不間斷地快速發生，從而引起連續發光。

抓住“偷竊”光子的“賊”

然而，有些光子卻永遠無法到達外部世界。造成 OLED 光損失的機理有多種，例如由于每一層的折射率不同導致光在層內反射，而不向外傳播（如圖 2 所示）。

Wang 博士的團隊主要研究光損失的另一種模式：在陰極和有機材料之間的界面上發生的偶極發射與表面等離激元的耦合情況。表面等離激元是指由振蕩電子形成的沿導體表面傳播的波。在 OLED 中，發光層中的輻射偶極子（分子激子）發出的光可以與陰極的電子振蕩耦合，從而產生一種叫做表面等離極化激元（surface plasmon polariton，簡稱 SPP）的波。SPP 在沿陰極表面傳播時會不斷衰減，同時帶走發射的光子，使它們無法穿透玻璃向外輻射（見圖 3）。

圖 3. OLED 中表面等離激元與偶極輻射的耦合示意圖。SPP 波會束縛部分光子，使它們無法穿過 OLED 玻璃基板。

換句話說，由于金屬陰極緊挨著有機發光層，部分光被陰極的電子吸收，從而引起電子振蕩，并形成 SPP。這些現象最終會造成大量的能量以熱量的形式損失掉。

Wang 博士借助 COMSOL Multiphysics? 軟件中的數值仿真功能，對 OLED 系統中的光（由 EML 發出）和 SPP 進行建模，試圖通過分析找到防止光損失的方法。一個極具潛力的設想是在陰極中加入納米光柵結構（見圖 4 左側視圖），該結構能破壞 SPP 模式的形成，進而減少偶極發射與等離激元的能量耦合。

圖 4. 左圖為陰極的納米光柵表面。Wang 博士的仿真團隊通過對不同柵距高度和寬度產生的效果進行測試，并確定了最佳的排列方式。右圖為陰極表面分別采用（a）平面和（b）納米光柵結構的偶極發射二維場分布仿真。采用平面時，大部分偶極發射都被耦合到 SPP 波中，只有一小部分以自由光形式輻射。但采用納米光柵結構時，這種耦合得到了很好地抑制（b）。

Wang 博士的仿真結果顯示了在使用不同陰極形狀時電磁場的分布情況，以及OLED 可以輻射出光的多少（見圖 4 右側視圖）。通過仿真結果，他的團隊已經確認這一現象確實會造成大量光損失。

COMSOL? 軟件已成為柯尼卡美能達實驗室的重要工具，它不僅能提供強大、全面的功能，并且使用靈活、操作簡單。該實驗室工作人員正利用這個軟件從事各類型課題的研究。“在這個 OLED 項目中，我們可以使用 COMSOL 執行包括數據后處理在內的任何操作。我們還將與波長相關的光學性質導入在仿真模型當中，并基于這些數據進行仿真分析。”Wang 博士說。

他的團隊分別為采用平面陰極和納米光柵結構陰極的 OLED 建立了模型，并嘗試使用不同的幾何參數來找到最優配置（見圖 5）。不僅如此，他們還通過運行仿真探尋偶極位置的影響，以及由 SPP 引起光損失的波長，進而研究由不同偶極取向造成的影響。團隊成員還利用功率流分析的方法來計算從 EML 發出的光中有多少可以從玻璃中逸出。

圖 5. COMSOL? 軟件的仿真結果顯示了分別采用平面結構（左圖）和納米光柵結構（中間圖）的偶極發射分布情況。光強經過歸一化處理后以對數形式繪制。右圖顯示了幾種納米光柵陰極設計的偶極發射圖案。

團隊最終借助仿真證實了他們的設想，通過在陰極使用優化過的納米結構表面，能將等離激元造成的損失減少 50% 。

多功能建模使燈光更明亮

借助于一系列仿真工作，Wang 博士的團隊得以設計出極具前景的新型 OLED。這種新設計可以使效率得到大幅提升。“我們能夠通過對 OLED 系統的模擬來確定陰極納米光柵結構的最佳配置。”他總結道，“通過使用 COMSOL 軟件，我們可以深入了解光損失的產生機理，并輕松測試由不同設計局限帶來的影響，進而對我們的 OLED 產品進行相應的調整。正是 COMSOL 軟件的強大功能，幫助我們找到了將等離激元造成的光損失減 少一半的方法。”