Metasurface designmetoder kan få LED-lys til at virke mere som lasere

UC Santa Barbara-forskere fortsætter med at skubbe grænserne for LED-design lidt længere med en ny metode, der kan bane vejen mod mere effektiv og alsidig LED-display- og lysteknologi.

I et blad udgivet i Naturfotonik , UCSB elektro- og computeringeniørprofessor Jonathan Schuller og samarbejdspartnere beskriver denne nye tilgang, som kunne gøre det muligt for en lang række LED-enheder – fra virtual reality-headset til bilbelysning – at blive mere sofistikerede og slankere på samme tid.

"Det, vi viste, er en ny slags fotonisk arkitektur, der ikke kun giver dig mulighed for at udtrække flere fotoner, men også at dirigere dem, hvor du vil, " sagde Schuller. Dette forbedrede ydeevnen, forklarede han, opnås uden de eksterne emballagekomponenter, der ofte bruges til at manipulere lyset fra LED'er.

Lys i LED'er genereres i halvledermaterialet, når det exciteres, negativt ladede elektroner, der bevæger sig langs halvlederens krystalgitter, møder positivt ladede huller (fravær af elektroner) og går over til en lavere energitilstand, frigivelse af en foton undervejs. I løbet af deres målinger, forskerne fandt ud af, at en betydelig mængde af disse fotoner blev genereret, men at de ikke kom ud af LED'en.

"Vi indså, at hvis man så på vinkelfordelingen af ​​den udsendte foton før mønstret, det havde en tendens til at toppe i en bestemt retning, som normalt ville være fanget i LED-strukturen, " sagde Schuller. "Og så vi indså, at du kunne designe omkring det normalt fangede lys ved hjælp af traditionelle metasurface-koncepter."

Designet, de slog sig til, består af et array af 1,45 mikrometer lange galliumnitrid (GaN) nanorods på et safirsubstrat, hvori kvantebrønde af indiumgalliumnitrid var indlejret, at begrænse elektroner og huller og dermed udsende lys. Ud over at tillade mere lys at forlade halvlederstrukturen, processen polariserer lyset, som medforfatter Prasad Iyer sagde, "er kritisk for mange applikationer."

Nanoskala antenner

Ideen til projektet fik Iyer for et par år siden, da han var ved at færdiggøre sin doktorgrad i Schullers laboratorium, hvor forskningen er fokuseret på fotonikteknologi og optiske fænomener på subbølgelængdeskalaer. Metasurfaces - konstruerede overflader med nanoskala-træk, der interagerer med lys - var fokus for hans forskning.

"En metasurface er i det væsentlige en subbølgelængde-array af antenner, " sagde Iyer, som tidligere har forsket i, hvordan man kan styre laserstråler med metaoverflader. Han forstod, at typiske metaoverflader er afhængige af de stærkt retningsbestemte egenskaber af den indkommende laserstråle for at producere en meget rettet udgående stråle.

LED'er, på den anden side, udsender spontant lys, i modsætning til laserens stimulerede, sammenhængende lys.

"Spontane emissionsprøver alle de mulige veje, fotonen får lov til at gå, Schuller forklarede, så lyset fremstår som en spray af fotoner, der rejser i alle mulige retninger. Spørgsmålet var, om de kunne gennem omhyggeligt design i nanoskala og fremstilling af halvlederoverfladen, flokke de genererede fotoner i en ønsket retning?

"Folk har tidligere lavet mønstre af LED'er, " sagde Iyer, men disse bestræbelser opdeler uvægerligt i flere retninger, med lav effektivitet. "Ingen havde udviklet en måde at kontrollere udsendelsen af ​​lys fra en LED i en enkelt retning."

Rigtigt sted, Rigtig tid

Det var et puslespil, der ikke ville have fundet en løsning, Iyer sagde, uden hjælp fra et team af eksperter. GaN er usædvanligt vanskeligt at arbejde med og kræver specialiserede processer for at lave krystaller af høj kvalitet. Kun få steder i verden har ekspertisen til at fremstille materialet i et så krævende design.

Heldigvis, UC Santa Barbara, hjemsted for Solid State Lighting and Energy Electronics Center (SSLEEC), er et af de steder. Med ekspertisen hos SSLEEC og campus's verdensklasses nanofabrikationsfacilitet, forskerne designet og mønstrede halvlederoverfladen for at tilpasse metasurface-konceptet til spontan lysemission.

"Vi var meget heldige at samarbejde med verdens eksperter om at lave disse ting, " sagde Schuller.