Nanopartikel-meta-gitter til forbedret lysudvinding fra lysemitterende enheder

Et skræddersyet lag af plasmoniske nanopartikler kan indføres i epoxyhuset på en lysdiode (LED) for at forbedre enhedens lysoutput, for at gavne energibesparelser og øge LED-levetiden. I en ny rapport vedr Nature Light:Videnskab og applikationer , Debrata Sikdar og et team af videnskabsmænd i kemi, elektronik og fysik ved Imperial College London og Indian Institute of Technology, viste fordelene ved at inkludere en todimensionel (2-D) matrix af sølvnanopartikler kendt som et 'metagitter' til den linseformede epoxyemballage. De testede deres teori ved hjælp af computersimuleringer og demonstrerede evnen til at forbedre lysudvindingen fra den nanopartikel meta-grid-baserede LED. Den alternative tilgang kan tilpasses, så den passer til en specifik emissionsfarve, forfatterne foreslog et par yderligere ordninger til at implementere strategien i den eksisterende LED-fremstillingsteknologi.

Konventionel lysudsug fra LED'er

Lysemitterende dioder (LED'er) er allestedsnærværende i den moderne verden, fra trafiklys til elektroniske displays og i anvendelser af vandrensning og dekontaminering. Da typiske halvleder-LED'er er indkapslet af en gennemsigtig isolator, der begrænser effektiviteten af ​​lysudvinding, forskere har forsøgt at forbedre lysudtrækningseffektiviteten af ​​LED'er for forbedret lysudbytte. Det spånindkapslende materiale i sig selv kan være en begrænsende faktor ved siden af ​​Fresnel-tab; når en betydelig mængde af det indfaldende lys reflekteres tilbage fra grænsefladen ind i chippen. For at afbøde sådanne grænser, forskere havde introduceret materialer med højere brydningsindeks end epoxy eller plast, selvom ændringerne endnu er vanskelige og økonomisk ugunstige for masseproduktionstilpasning. Yderligere ordninger har inkluderet nanopartikel-epoxy nanokompositter eller konstruerede epoxyharpikser for at sikre højere brydningsindekser uden at gå på kompromis med gennemsigtigheden. Imidlertid, et større brydningsindeks kan igen føre til, at en større del af lyset reflekteres tilbage fra indkapsling/luft-grænsefladen for at bidrage til Fresnel-tab.

I dette arbejde, Sikdar et al. foreslået minimale ændringer til fremstillingsprocessen for at reducere Fresnel-tabet ved chip/indkapslingsgrænsefladen ved at bruge en fast fotonudslipskegle for at øge lystransmissionen på tværs af opsætningen. For at opnå dette, de placerede et monolag af sub-bølgelængde metalliske nanopartikler (NP'er) som et 'meta-gitter' oven på en konventionel LED-chip i chippens sædvanlige indkapslende emballage. Den resulterende forbedring af LED-lystransmission opstod som et resultat af destruktiv interferens mellem lys reflekteret fra chip/epoxy-grænsefladen og lys reflekteret af NP-meta-gitteret. Ved at reducere refleksion fra chip/epoxy-grænsefladen øgede de LED-chippens levetid og minimerede spildvarme.

For at demonstrere nanopartikel-assisteret forbedret transmission, de brugte sølv nanosfærer som stærke plasmoniske resonatorer, med minimalt absorptionstab. Teamet studerede NP -radiusens roller, mellempartikelspalter dannet af nanosfærerne under bottom-up samling til en todimensional (2-D) sekskantet række og indflydelsen af ​​nanopartikel (NP) højde. For at beregne lystransmittansen, Sikdar et al. brugte en lysemitter og detektor placeret inde i chippen og det indkapslende medium, henholdsvis. Forskellige sæt NP-arrays gav maksimal forbedring i lystransmission på tværs af forskellige spektrale vinduer, og derfor kunne 'metagitteret' optimeres for hver LED i forhold til dets emissionsspektralområde.

Holdet maksimerede derefter transmittansen over et specifikt spektralområde ved hjælp af en optimeret struktur af meta-gitteret. Forskerne observerede forbedret lystransmission med opsætningen, og krediterede resultatet Fabry-Perot-effekten mellem chip/indkapslingsgrænsefladen og NP meta-grid. Transmissionsdykket, også kendt som udryddelsestoppen, afhængig af højden, hul, og andre parametre for meta-grid NP'er, og illustrerede enhedens underliggende fysik. Som resultat, ved at variere mellemrummet og højden af ​​nanopartikelmeta-gitteret og radius af sølvnanopartiklerne, forskerne påvirkede transmissionsdip eller ekstinktionstoppet under LED-emission.

Desuden, lys reflekteret fra chip/indkapslingsgrænsefladen interfererede tydeligt med lys reflekteret fra NP-arrayet, for effektivt at reducere refleksion fra opsætningen og øge transmissionen på grund af Fabry-Perot effektbaseret transmissionsforbedring. Chip/indkapslingsgrænsefladen og NP-meta-gitteret fungerede som to reflekterende overflader for at danne hulrummet mellem dem. Holdet placerede meta-gitteret i den tættest mulige højde på chip/indkapslingsgrænsefladen for at optimere dens position og begrænse enhver lækage af stråling. De viste også, hvordan de små NP'er udviste bedre vinkelgennemsnitlig transmittans for upolariseret lys.

Forskerne opnåede forbedret transmission i nærvær af det optimerede meta-gitter, hvilket var signifikant større end det opnåede uden NP'er over det samme bølgelængdeområde. Systemets maksimale transmittans var følsom over for eventuelle mangler i fremstillingsprocessen. De tunede og justerede præcist meta-gitteret af nanopartikler på LED-chippen for optimal ydeevne. Det resulterende NP-meta-gitter tillod en 96 procents stigning i lystransmission (som ellers er 84 procent) fra det emissive lag til det indkapslende lag.

På denne måde Debrata Sikdar og kolleger foreslog en ordning, der markant forbedrer lysudvindingen fra LED'er ved at øge transmissionen på tværs af chip-/indkapslingsgrænsefladen. De opnåede dette ved at introducere et monolag af plasmoniske nanopartikler (NP'er) oven på LED-chippen for at reducere Fresnel-tab og forbedre lystransmission, der stammer fra Fabry-Perot-effekten. Teamet foreslår at implementere ordningen enten alene eller i kombination med andre tilgængelige strategier for at forbedre LED -effektiviteten.

© 2020 Science X Network