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定制的纳米粒子元网格提高了发光二极管的性能

发明这种纳米粒子“元网格”的科学家称,将这种新设计的纳米粒子“元网格”引入到发光二极管(led)的环氧树脂外壳中,不仅延长了led的使用寿命,还极大地改善了它们的光输出。“元网格”是一种经过特殊设计、优化的金属纳米粒子二维阵列,需要将其放置在led环氧树脂外壳的特定位置。

在现代世界,led被大量使用。从交通灯到电子显示器的背光,智能手机,大型户外屏幕,一般的装饰灯,到传感,水净化,净化被感染的表面——led无处不在!增加LED光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,在给定的输入条件下产生更大的光输出是led的核心任务。这一方向的主流研究是探索用于LED芯片封装的新材料,主要是使用高折射率玻璃或纳米粒子负载的环氧树脂,或环氧材料与填充粉或工程环氧树脂,仅举几例。然而,有了这些技术,要么LED芯片变得笨重,要么他们的制造变得更加困难和不经济的大规模生产。

在一篇发表在《光科学与应用》杂志上的新论文中,一组科学家——dr。来自印度理工学院古瓦哈蒂电子与电气工程系的Debabrata Sikdar,以及来自帝国理工学院的John B. Pendry爵士教授和Alexei Kornyshev教授报道了一种改进led光提取的替代方法。它提出通过减少固定光子逸出锥内的芯片/封装接口的菲涅尔反射损失来增加LED芯片内产生的光在LED-芯片/封装接口上的透射,同时规定对制造过程的最小改变。

光透射的增强是基于从芯片/环氧界面反射的光与“元网格”反射的光之间的破坏性干涉。减少芯片/环氧界面的反射也可以通过消除芯片内部不必要的反射而加热来增加LED芯片的寿命。

这些科学家总结了LED光增强“元网格”方案的工作原理和优点如下:

“显著提高光提取从LED可以通过提高LED-chip /密封剂接口的传输,通过引入电浆的单层纳米颗粒(远小于发射光的波长)的LED芯片,可以减少芯片的菲涅耳反射损失/密封剂接口,通过加强传播来自法布里-珀罗效应。类似的效果也适用于增强太阳能电池对光线的捕捉。“我们的方案可以单独部署,也可以与其他方案结合,通过减少临界角损失来提高LED的效率。”该发明所需的整个原始理论框架已经在内部开发,并通过标准的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,并用实验来证实我们的理论预测。”“我们的理论模型允许最优测定条件对纳米粒子的结构和性能的meta-grid层:viz.材料和纳米颗粒的组成、大小和平均颗粒间的间距,和表面的距离的LED芯片,能提供的最大提高光提取从LED芯片封装外壳,发光二极管的发射光谱范围,”他们补充说。

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、扩散极窄的纳米颗粒变得越来越不困难。但是,由于制作误差或材料缺陷的原因,粒子的大小和/或位置、网格的平整度以及折射率的变化,这些都是不可避免的。从我们的耐受性研究中可以粗略估计大多数这些不准确的影响,它已经显示了增强光提取机制的稳健性。”“对于led芯片中的元网格,可能有不同的工程解决方案。其中一种方法是利用干燥介导的纳米粒子的自组装,例如由银或带适当配体的低损耗等离子体材料制成,形成独立的sikdar - premaratna - cheng“等离子体”薄片。这些纳米颗粒单层片可以被拉伸以精确调整颗粒间的分离,并可以在封装外壳制作之前在LED芯片上冲压。“从LED芯片表面到‘元网格’的距离可以通过等离子体衬底的厚度来控制,”Alexei Kornyshev进一步补充道。

作者声称:“在这项发明中,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封装壳体的光传输的概念可以扩展到其他类型的包含发射层/封装接口的发光器件。总的来说,我们使用纳米粒子‘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。”

“该方案的简单性和清晰的物理基础应该使其坚固,并有望轻松适应现有的LED制造过程。”很明显,由于具有更大的光提取效率,led将提供更大的能源节约以及更长的设备寿命。这肯定会对全球范围内多用途的LED应用及其数十亿美元的全球市场产生影响,”彭德里爵士预测道。

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