UC Santa Barbara-forskare fortsätter att tänja på gränserna för LED-design lite längre med en ny metod som kan bana väg mot en mer effektiv och mångsidig LED-display och belysningsteknik.

I en tidning publicerad i Nature Photonics , UCSB:s el- och datateknikprofessor Jonathan Schuller och medarbetare beskriver detta nya tillvägagångssätt, vilket skulle kunna göra det möjligt för ett brett utbud av LED-enheter – från virtual reality-headset till bilbelysning – att bli mer sofistikerade och eleganta på samma gång.

"Vad vi visade är en ny typ av fotonisk arkitektur som inte bara låter dig extrahera fler fotoner, men också att rikta dem dit du vill, " sa Schuller. Detta förbättrade prestandan, han förklarade, uppnås utan de externa förpackningskomponenterna som ofta används för att manipulera ljuset som avges av lysdioder.

Ljus i lysdioder genereras i halvledarmaterialet när det exciteras, negativt laddade elektroner som färdas längs halvledarens kristallgitter möter positivt laddade hål (frånvaro av elektroner) och övergår till ett lägre energitillstånd, släpper en foton längs vägen. Under loppet av sina mätningar, forskarna fann att en betydande mängd av dessa fotoner genererades men att de inte kom ur lysdioden.

"Vi insåg att om du tittade på vinkelfördelningen av den emitterade fotonen innan mönstring, det tenderade att toppa i en viss riktning som normalt skulle vara fångade i LED-strukturen, ", sa Schuller. "Och så vi insåg att man kunde designa runt det normalt fångade ljuset med hjälp av traditionella metasytor."

Designen de bestämde sig för består av en uppsättning 1,45 mikrometer långa galliumnitrid (GaN) nanorods på ett safirsubstrat, i vilka kvantbrunnar av indiumgalliumnitrid var inbäddade, att begränsa elektroner och hål och på så sätt avge ljus. Förutom att tillåta mer ljus att lämna halvledarstrukturen, processen polariserar ljuset, som medförfattaren Prasad Iyer sa, "är avgörande för många applikationer."

Antenner i nanoskala

Idén till projektet fick Iyer för ett par år sedan när han avslutade sin doktorsexamen i Schullers labb, där forskningen är inriktad på fotonikteknik och optiska fenomen på subvåglängdsskalor. Metasytor - konstruerade ytor med nanoskaliga egenskaper som interagerar med ljus - var i fokus för hans forskning.

"En metayta är i huvudsak en subvåglängdsuppsättning av antenner, sade Iyer, som tidigare forskat om hur man kan styra laserstrålar med metasytor. Han förstod att typiska metasytor förlitar sig på de starkt riktade egenskaperna hos den inkommande laserstrålen för att producera en starkt riktad utgående stråle.

lysdioder, å andra sidan, avger spontant ljus, i motsats till laserns stimulerade, sammanhängande ljus.

"Spontana emissionsprover alla möjliga vägar som fotonen tillåts gå, Schuller förklarade, så ljuset framstår som en spray av fotoner som rör sig i alla möjliga riktningar. Frågan var om de genom noggrann design och tillverkning i nanoskala av halvledarytan, flocka de genererade fotonerna i önskad riktning?

"Folk har gjort mönstring av lysdioder tidigare, " Iyer sa, men dessa ansträngningar delar alltid upp i flera riktningar, med låg effektivitet. "Ingen hade konstruerat ett sätt att kontrollera ljusemissionen från en lysdiod i en enda riktning."

Rätt plats, Rätt tid

Det var ett pussel som inte skulle ha hittat en lösning, Iyer sa, utan hjälp av ett team av expertsamarbetare. GaN är exceptionellt svår att arbeta med och kräver specialiserade processer för att göra kristaller av hög kvalitet. Endast ett fåtal platser i världen har expertis att tillverka materialet i en så krävande design.

Lyckligtvis, UC Santa Barbara, hem till Solid State Lighting and Energy Electronics Center (SSLEEC), är en av dessa platser. Med expertis på SSLEEC och campusets världsklassiga nanotillverkningsanläggning, forskarna designade och mönstrade halvledarytan för att anpassa metasytkonceptet för spontan ljusemission.

"Vi hade mycket tur att samarbeta med världsexperter för att göra dessa saker, " sa Schuller.