量身定制的纳米粒子元网格提高发光二极管的性能

中心的示意图表示(而不是缩放)描绘了一个由等离子体(例如贵金属)纳米粒子组成的“元网格”LED，它比发射光的波长小得多。在LED芯片的环氧外壳内放置一个特殊设计的“元网格”，以优化的尺寸、形状和粒子间分离，从LED芯片/封装界面的适当高度，除了增加器件寿命外，还能产生更大的光输出。外围的图标呈现了不同的应用场景。

从交通灯到电子显示器的背光，智能手机，大型户外屏幕，一般的装饰灯，到传感，水净化，净化被感染的表面——led无处不在!增加LED光的输出将减少能源需求，有助于遏制全球变暖和气候变化。

多年来，为给定的输入产生更大的光输出是LED的中心任务。这方面的研究主要集中在探索方面。新材料对于LED芯片封装，主要是使用更高的折射率玻璃或纳米粒子负载环氧或环氧材料与填料粉末或工程环氧树脂等等。然而，有了这些技术，LED芯片要么变得笨重，要么他们的制造变得更加困难和更不经济的批量生产。

来自印度电子和电气工程系古瓦哈蒂技术学院的Debabrata Sikdar博士，以及帝国理工学院的Sir John B.Pendry教授和Alexei Kornyshev教授在光科学与应用上发表的一篇新论文中，报告了一种改进LED光提取的替代途径。它建议通过减少固定光子逃逸锥内芯片/封装界面的菲涅耳反射损耗，增加LED芯片内部产生的光在LED芯片/封装界面上的传输，同时规定制造工艺的最小变化。

光传输的增强是基于芯片/环氧界面反射的光与‘元栅’反射光之间的破坏性干涉，减少芯片/环氧界面的反射也可以通过消除芯片内不必要的反射来提高LED芯片的寿命。

这些科学家总结了LED光增强的“元网格”方案的工作原理和优点如下：

他们说：“通过增加LED芯片/封装界面的传输，在LED芯片上引入一层等离子体纳米粒子(远小于发射光的波长)，可以通过法布里-珀罗效应增强传输，从而降低芯片/封装界面的菲涅耳反射损耗，从而大大增强LED的光提取能力。类似的效果也适用于增强太阳能电池中的光捕获。”“我们的方案可以自行部署，也可以与其他可用于通过降低临界角度损耗来提高LED效率的方案结合使用。本发明所需的整个最初的理论框架已经在内部开发，并通过标准的商业模拟工具进行了严格的测试。我们计划在一年内制造出一个原型设备，并通过实验验证我们的理论预测。”“我们的理论模型允许确定纳米粒子‘Meta-Grid’层的结构和性能的最佳条件：即纳米粒子的材料和组成、它们的尺寸和平均粒子间距以及与LED芯片表面的距离--这可以在LED的任何发射光谱范围内最大限度地增强从LED芯片到封装外壳的光提取能力，”他们补充道。

Debabrata Sikdar进一步补充说：“随着纳米制造技术的不断进步，制备纳米粒子的难度越来越小，这些纳米粒子大多是单分散性的，分布范围很窄。尽管如此，粒子大小和/或位置、栅格平整度以及由于制造错误或材料缺陷而导致的折射率变化都可能存在一些随机性，这是不可避免的。从我们的耐受性研究可以粗略地估计出这些不精确性的影响，并且它显示了增强光提取机制的稳健性。”

“在发光二极管芯片中的元网格可能有不同的工程解决方案，其中之一是使用干燥介导的纳米粒子自组装，例如用银或替代的低损耗等离子体材料制成适当的配体，以形成独立站立的sikdar-premaratne-Cheng‘塑料片。这些纳米颗粒单层片可以被拉伸以精确地调整粒子间的分离，并且可以在封装外壳之前在发光二极管芯片上打上邮票。’meta-格栅‘与发光二极管之间的距离是被制造出来的。晶片表面可以通过等离子体基片的厚度来控制，“Alexei Kornyshev进一步补充道。

作者声称，“在本发明中，我们演示了基于III-V组材料的标准商用LED的”元栅极“效应。但是，提出的增强从发射层到封装层的光传输的概念可以扩展到含有发射层/封装界面的其他类型的发光器件。一般来说，我们使用纳米粒子meta-grid来增强光提取的想法可能会满足更广泛的光学小器件的需求，而不仅仅是半导体LED。”

  “建议方案的简单性及清晰的物理基础，使其坚固可靠，并有望容易适应现有的发光二极管制造工艺。很明显，由于具有更大的光提取效率，led将提供更大的能源节约以及更长的设备寿命。这肯定会对以LED为基础的多种多样的应用程序及其全球数十亿美元的市场产生全球性影响，“Sir John B.Pendry教授预测。