Skræddersyet meta-gitter af nanopartikler, der øger ydeevnen af ​​lysemitterende dioder

Introduktion af det nydesignede 'meta-gitter' af nanopartikler i epoxybeklædningen af ​​lysdioder (LED'er) giver en væsentlig forbedring af deres lysoutput, udover at øge levetiden, ifølge de videnskabsmænd, der opfandt det. Et 'meta-gitter' er et specielt designet, optimeret todimensionel række af metalliske nanopartikler, som skal placeres på et bestemt sted i LED'ernes epoxykabinet.

LED'er er overvældende ansat i den moderne verden. Fra trafiklys til baggrundsbelysning til elektroniske skærme, smartphones, store udendørs skærme, og generel dekorativ belysning og sansning, vandrensning, og dekontaminering af inficerede overflader - LED'er er overalt omkring os! Øget LED-lysoutput ville reducere energibehovet, bidrage til at bremse global opvarmning og klimaændringer.

I årenes løb, opgaven med at producere større lysudbytte for den givne input var central for LED'er. Hovedstrømmen af ​​forskning i denne retning var at udforske nye materialer til LED-chipindkapsling, hovedsageligt ved at bruge enten glas med højere brydningsindeks eller epoxy- eller epoxymaterialer med nanopartikler, der er inkorporeret med fyldstofpulvere eller konstruerede epoxyharpikser, for at nævne et par stykker. Imidlertid, med disse teknikker bliver enten LED-chipsene større, eller også bliver deres fremstilling vanskeligere og mindre økonomisk til masseproduktion.

I et nyt blad udgivet i Lysvidenskab og applikationer , et hold af videnskabsmænd - Dr. Debabrata Sikdar, fra Indian Institute of Technology Guwahati, Institut for Elektronik og Elektroteknik, sammen med Prof. Sir John B. Pendry og Prof. Alexei Kornyshev fra Imperial College London-rapporterede en alternativ rute til forbedring af lysudvinding fra LED'er. Det foreslår at øge transmissionen af ​​lyset genereret inde i LED-chippen over LED-chip/indkapslingsgrænsefladen ved at reducere Fresnel-refleksionstabet ved chip-/indkapslingsgrænsefladen i en fast fotonudslipskegle, samtidig med at der foreskrives minimale ændringer i fremstillingsprocessen.

Forbedringen i lystransmission er baseret på destruktiv interferens mellem lys, der reflekteres fra chip/epoxy-grænsefladen og lys, der reflekteres af 'meta-gitteret. af chippen fra uønskede refleksioner inde i chippen.

Disse videnskabsmænd opsummerer operationsprincippet og fordelene ved deres 'meta-grid'-skema for LED-lysforbedring nedenfor:

"En væsentlig forbedring af lysudvinding fra LED'er kan opnås ved at øge transmissionen over LED-chip/indkapslingsgrænsefladen, ved at indføre et monolag af plasmoniske nanopartikler (meget mindre end bølgelængden af ​​det udsendte lys) oven på LED-chippen, som kan reducere Fresnel-refleksionstabet ved chip/indkapslingsgrænsefladen, gennem forbedret transmission, der stammer fra Fabry-Perot-effekten. En lignende effekt er også anvendelig til at forbedre indfangningen af ​​lys i solceller, " sagde de. "Vores ordning kan implementeres alene eller i kombination med andre tilgængelige ordninger for at øge LED-effektiviteten ved at reducere kritiske vinkeltab. Hele den originale teoretiske ramme, der er nødvendig for opfindelsen, er blevet udviklet internt og er strengt testet mod kommercielle standard-simuleringsværktøjer. Vi planlægger at fremstille en prototype enhed inden for et år og bekræfte vores teoretiske forudsigelser med eksperimenter." "Vores teoretiske model gør det muligt at bestemme de optimale betingelser for strukturen og egenskaberne af nanopartiklernes 'meta-gitter' lag:dvs. materialet og sammensætningen af ​​nanopartikler, deres størrelser og gennemsnitlige interpartikelafstand, og afstanden fra overfladen af ​​LED-chippen - der kunne give den maksimale forbedring af lysudvinding fra LED-chippen ind i det indkapslende kabinet, over ethvert emissionsspektralområde af LED'er, " tilføjede de.

Debabrata Sikdar kommenterede yderligere:"med kontinuerlige fremskridt inden for nanofabrikationsteknologi, det bliver mindre vanskeligt at fremstille nanopartiklerne, som for det meste er monodisperse og har en meget snæver spredning. Stadig, der kan altid være en vis tilfældighed i partikelstørrelse og/eller position, fladhed af gitter, og variation i brydningsindeks på grund af fabrikationsfejl eller materialefejl, som er uundgåelige. Effekter fra de fleste af disse unøjagtigheder kan groft estimeres ud fra vores toleranceundersøgelse, og det har vist robustheden af ​​mekanismen for forbedret lysudvinding." "Der kunne være forskellige tekniske løsninger til meta-nettene i LED-chipsene. En af dem ville være at bruge tørringsmedieret selvsamling af nanopartikler, f.eks. lavet af sølv eller alternative mindre tabsgivende plasmoniske materialer, der er dækket med passende ligander, at danne fritstående Sikdar-Premaratne-Cheng 'plasmene'-ark. Disse nanopartikel-monolagsark kunne gøres strækbare for præcis justering af interpartikeladskillelsen og kunne stemples på LED-chippen, før det indkapslende hus fremstilles. Afstanden mellem 'meta-gitteret' fra LED-chipoverfladen kan styres via tykkelsen af ​​plasmenets substrat, " tilføjede Alexei Kornyshev yderligere.

Forfatterne hævder, "I denne opfindelse, vi har demonstreret effekten af ​​'meta-gitteret' for de almindelige kommercielle LED'er, baseret på gruppe III-V materialer. Men det foreslåede koncept for at forbedre lystransmissionen fra et emissivt lag til dets indkapslende beklædning kan udvides til andre typer lysemitterende enheder, der indeholder emissivt-lag/indkapslende grænseflade. Generelt, vores idé om at bruge nanopartikel-'meta-gitteret' til forbedret lysudvinding kunne potentielt imødekomme en bredere vifte af optiske gadgets, ikke kun halvleder-LED'er."

"Simpelheden af ​​den foreslåede ordning og den klare fysik, der ligger til grund for den, burde gøre den robust og, forhåbentlig, let at tilpasse til den eksisterende LED-fremstillingsproces. Det er indlysende, at med større lysudsugningseffektivitet, LED'er vil give større energibesparelser samt længere levetid for enhederne. Dette vil helt sikkert have en global indflydelse på de alsidige LED-baserede applikationer og deres multi-milliard-dollar-marked på verdensplan, " spåede Sir John B. Pendry.