可提高发光二极管的性能的纳米元网格结构

下图所示，中心的示意图描绘了一个LED，该LED带有等离子（如贵金属）纳米颗粒的“元网格”，尺寸远小于发射光的波长。在LED芯片的环氧树脂外壳内，在距LED芯片/封装材料界面适当高度处放置一个经过特殊设计的优化尺寸、形状和粒子间分离的“元网格”，能够产生更大的光输出，并延长器件寿命。外围的图标呈现了不同的可能应用场景作为举例。

据发明者称，将新设计的纳米颗粒“元网格”引入到发光二极管（led）的环氧树脂外壳中，除了延长寿命外，还可以显著提高发光二极管的光输出。“元网格”是一种经过特殊设计、优化的二维金属纳米粒子阵列，需要放置在LED环氧树脂外壳内的特定位置。

LED在现代世界中占绝大多数。从交通灯到电子显示屏的背光、智能手机、大型户外屏幕和一般装饰性照明，再到传感、水净化和净化受感染表面的LED，都在我们身边！增加LED灯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的核心任务。这一方向的研究主流是探索LED芯片封装的新材料，主要是通过使用高折射率玻璃或纳米载环氧树脂，或与填充粉或工程环氧树脂混合的环氧材料。然而，随着这些技术，要么LED芯片变得更大，要么他们的制造变得更困难，大规模生产更加不经济。

在一篇发表在Light Science&Applications上的一篇新论文中，来自印度古瓦哈提技术学院电子与电气工程系的Debabrata Sikdar博士，伦敦帝国理工学院的johnb.Pendry教授和Alexei Kornyshev教授共同报道了一种改进led光提取的替代方法。它提出通过减少固定光子逃逸锥内芯片/封装材料界面处的菲涅耳反射损耗，提高LED芯片内部产生的光在LED芯片/封装材料界面上的传输，同时规定对现有制造工艺有较小的改变。

光传输的增强基于芯片/环氧树脂界面反射的光与“元网格”反射的光之间的破坏性干扰。减少芯片/环氧树脂界面的反射也可以通过消除芯片内部不需要的反射加热芯片，从而延长LED芯片的寿命。

这些科学家总结了他们用于LED光增强的“元网格”方案的工作原理和优点：

“通过增强LED芯片/封装材料接口的传输，可以显著提高LED的光提取能力，通过在LED芯片顶部引入一层等离子纳米颗粒（远小于发射光的波长），通过法布里-珀罗效应的增强传输，可降低芯片/封装材料界面的菲涅耳反射损耗。类似的效果也适用于增强太阳能电池的光捕获，”他们说，“我们的方案可以自行部署，也可以与其他方案结合使用，通过降低临界角损耗来提高LED的效率。本发明所需的整个原始理论框架都是内部开发的，并根据标准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装置，并用实验证实我们的理论预测。我们的理论模型可以确定纳米颗粒‘元网格’层结构和性能的最佳条件：即。纳米颗粒的材料和成分，它们的尺寸和平均粒间间距，以及与LED芯片表面的距离，这些距离可以在LED芯片的任何发射光谱范围内最大程度地增强从LED芯片到封装外壳的光提取，”他们补充道。

Debabrata Sikdar进一步评论道：“随着纳米制造技术的不断进步，制造单分散且分布非常窄的纳米颗粒变得越来越不困难。然而，由于制造误差或材料缺陷，颗粒尺寸和/或位置、网格的平坦度以及折射率的变化总是不可避免的。从我们的公差研究中可以粗略估计出这些误差的影响，并显示了增强光提取机制的鲁棒性。对于LED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颗粒自组装，例如由银或其他损耗较小的等离子材料制成，并覆盖适当的配体，形成独立的结构薄片。这些单分子层纳米片可以被拉伸以精确调节粒子间的分离，并且可以在封装外壳制造之前压在LED芯片上。‘元网格’与LED芯片表面的距离可以通过等离子体基板的厚度来控制，”Alexei Kornyshev进一步补充道。

作者声称，“在本发明中，我们展示了基于III-V组材料的标准商用LED‘元网格’的效果。但是，所提出的增强从发射层到其封装材料外壳的光传输的概念可以扩展到包含发射层/封装剂界面的其他类型的发光器件。一般来说，我们使用纳米颗粒‘元网格’来增强光提取的想法可能会迎合更广泛的光学器件，而不仅仅是半导体LED。”

“拟议方案的简单性和清晰的物理基础应使其坚固耐用，并有望轻松适应现有的LED制造工艺。很明显，随着更大的光提取效率，led将提供更大的节能和更长的寿命的设备。这肯定会对基于LED的多功能应用和全球数十亿美元的市场产生全球影响，”johnb.Pendry预测道。

原文：https://phys.org/news/2020-07-tailored-meta-grid-nanoparticles-boosting-light-emitting.html