可以將定制的等離激元納米粒子層引入發(fā)光二極管(LED)的環(huán)氧樹脂外殼中，以改善設(shè)備的光輸出，從而節(jié)省能源并延長LED壽命。在有關(guān)“ 自然之光：科學(xué)與應(yīng)用”的新報告中，德布拉塔·西卡爾(Debrata Sikdar)和倫敦帝國理工學(xué)院和印度理工學(xué)院的化學(xué)，電子與物理科學(xué)家團(tuán)隊展示了包括二維(2-D)納米銀納米顆粒陣列的好處，這種陣列稱為“元-網(wǎng)格”到透鏡狀環(huán)氧包裝。他們使用計算機(jī)模擬測試了他們的理論，并展示了改善基于納米粒子超網(wǎng)格的LED的光提取的能力?？梢远ㄖ铺娲椒ㄒ赃m合特定的發(fā)光顏色，作者提出了一些其他方案，以將該策略實施到現(xiàn)有的LED制造技術(shù)中。

從LED提取常規(guī)光

發(fā)光二極管(LED)在現(xiàn)代世界中無處不在，從交通信號燈到電子顯示器以及在水凈化和去污的應(yīng)用中。由于典型的半導(dǎo)體LED由透明絕緣體封裝，從而限制了光提取的效率，因此研究人員已嘗試提高LED的光提取效率以改善光輸出。該芯片封裝材料本身可以是一個限制因素一起菲涅耳損失 ; 也就是說，當(dāng)大量的入射光從界面反射回芯片時。為了減輕這種限制，研究人員引入了高折光率的材料。該指數(shù)比環(huán)氧或塑料指數(shù)大，但修改仍然困難且在經(jīng)濟(jì)上不利于大規(guī)模生產(chǎn)。其他方案還包括納米粒子-環(huán)氧樹脂納米復(fù)合材料或工程環(huán)氧樹脂，以確保較高的折射率而不損害透明度。但是，較大的折射率會再次導(dǎo)致較大部分的光從密封劑/空氣界面反射回去，從而導(dǎo)致菲涅耳損耗。

改善LED發(fā)光的另一種方法

在這項工作中，Sikdar等人。建議使用最小的制造工藝更改，以通過使用固定的光子逸出錐來增加整個裝置的光傳輸，從而減少芯片/密封劑界面處的菲涅耳損耗。為此，他們將單波長的亞波長金屬納米顆粒(NPs)作為“元網(wǎng)格”放置在常規(guī)LED芯片頂部的常規(guī)封裝中。由于從芯片/環(huán)氧樹脂界面反射的光與由NP元網(wǎng)格反射的光之間的相消干涉，導(dǎo)致了LED光傳輸?shù)脑鰪?qiáng)。通過減少芯片/環(huán)氧樹脂界面的反射，它們增加了LED芯片的壽命，并最大限度地減少了廢熱。

為了證明納米粒子輔助的增強(qiáng)傳輸，他們使用銀納米球作為強(qiáng)等離子體共振器，吸收損耗最小。該團(tuán)隊研究了NP半徑，自底向上組裝成二維(2-D)六邊形陣列時納米球形成的粒子間間隙以及納米粒子(NP)高度的影響的作用。為了計算透光率，Sikdar等。使用分別放置在芯片和封裝介質(zhì)內(nèi)部的發(fā)光器和檢測器。NP陣列的不同集合在不同光譜窗口之間的光傳輸方面提供了最大的增強(qiáng)，因此可以相對于其發(fā)光光譜范圍針對每個LED優(yōu)化“元網(wǎng)格”。

優(yōu)化納米粒子超網(wǎng)格

然后，團(tuán)隊使用優(yōu)化的元網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在特定光譜范圍內(nèi)最大化透射率?？茖W(xué)家觀察到該設(shè)置增強(qiáng)了光傳輸，并將結(jié)果歸因于芯片/密封劑界面與NP元網(wǎng)格之間的Fabry-Perot效應(yīng)。透射率下降(也稱為消光峰)取決于高度，間隙和元網(wǎng)格NP的其他參數(shù)，并說明了設(shè)備的基本物理原理。結(jié)果，科學(xué)家們通過改變納米粒子超網(wǎng)格的間隙和高度以及組成銀納米粒子的半徑，影響了LED發(fā)射期間的透射率下降或消光峰。

此外，由于基于法布里-珀羅效應(yīng)的透射增強(qiáng)，從芯片/密封劑界面反射的光明顯干擾了NP陣列反射的光，從而有效地減少了來自設(shè)置的反射并提高了透射率。芯片/密封劑界面和NP元網(wǎng)格充當(dāng)兩個反射表面，以在它們之間形成空腔。該團(tuán)隊將元網(wǎng)格放置在離芯片/密封劑界面最近的高度，以優(yōu)化其位置并限制任何輻射泄漏。他們還展示了小NP對非偏振光如何表現(xiàn)出更好的角度平均透射率。

NP元網(wǎng)格中的透光率

科學(xué)家在存在優(yōu)化的元網(wǎng)格的情況下獲得了增強(qiáng)的透射，這比在相同波長范圍內(nèi)不使用NP時獲得的透射要大得多。系統(tǒng)的最大透射率對制造過程中的任何缺陷都很敏感。他們精確地調(diào)整和調(diào)整了LED芯片上納米顆粒的元網(wǎng)格，以實現(xiàn)最佳性能。所得的NP元網(wǎng)格使從發(fā)射層到密封層的透光率提高了96%(否則為84%)。

通過這種方式，Debrata Sikdar及其同事提出了一種方案，該方案可以通過增強(qiáng)芯片/密封劑接口之間的傳輸來顯著增強(qiáng)LED的光提取。他們通過在LED 芯片頂部引入單質(zhì)等離子體納米顆粒(NP)來減少菲涅耳損耗并增強(qiáng)源自法布里-珀羅效應(yīng)的光傳輸來實現(xiàn)此目的。該團(tuán)隊建議單獨(dú)或與其他可用策略結(jié)合實施該方案，以提高LED效率。